B位共掺杂协同提升钛酸铋基高温压电陶瓷电学性能-清华大学出版社学术期刊的博文

速读：因此，如研发能在400℃及以上工作的高温压电振动传感器，则要求压电陶瓷材料的居里温度须高于600℃。 BiCTCT-4陶瓷的压电系数高达37pC/N，居里温度高达681°C。 BiCTCT-100x陶瓷的畴结构表征（测试区域均为30×30μm）：(a1)-(a3)BiCTCT-0样品的VPFM振幅、相位以及振幅的统计分布； Bi4Ti3O12陶瓷（BIT）作为一种重要的铋层状结构铁电材料，其居里温度高达675℃，是目前国际上高温压电振动传感器中压电陶瓷材料的首选。 (f)各类BIT基陶瓷的d33与TC参数比较。

中山大学戴叶婧/李斌课题组：A/B位共掺杂协同提升钛酸铋基高温压电陶瓷电学性能

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2025-4-30 09:53

| 个人分类: JAC | 系统分类: 论文交流

原文出自 Journal of Advanced Ceramics ( 先进陶瓷 ) 期刊

Cite this article:

Chen X, Ou B, Liu G, et al. Simultaneous enhancement of piezoelectric performance and Curie temperature in high-temperature Bi 4 Ti 3 O 12 piezoceramics through A/B site co-doping. Journal of Advanced Ceramics , 2025, https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221077

文章 DOI ： 10.26599/JAC.2025.9221077

ResearchGate ： https://www.researchgate.net/publication/390584291_Simultaneous_enhancement_of_piezoelectric_performance_and_Curie_temperature_in_high-temperature_Bi_4_Ti_3_O_12_piezoceramics_through_AB_site_co-doping

1. 导读

在开发极端环境应用的高性能无铅高温压电陶瓷领域，协同优化高压电系数、高居里温度和优异高温电阻率，是目前面临的关键难题之一。为突破这一瓶颈，中山大学戴叶婧 / 李斌团队设计了 Ce 3+ /Cr 3+ /Ta 5+ 的 A/B 位共掺杂的新策略，通过多离子协同作用实现了晶格调控和畴结构优化，为开发高性能高温压电材料提供了新途径。

2. 研究背景

由于航空航天、电子工业等对适用于极端工况材料的需求日益提升，开发具有高居里温度（ T C ）的高温无铅压电陶瓷迫在眉睫。其中，铋层状结构陶瓷由于其高的居里温度受到了研究者的关注。考虑到材料的高温电学稳定性，一般压电材料的最高使用温度仅为 T C 的 1/2~3/4 ；因此，如研发能在 400 ℃ 及以上工作的高温压电振动传感器，则要求压电陶瓷材料的居里温度须高于 600 ℃ 。 Bi 4 Ti 3 O 12 陶瓷（ BIT ）作为一种重要的铋层状结构铁电材料，其居里温度高达 675 ℃ ，是目前国际上高温压电振动传感器中压电陶瓷材料的首选。然而，在烧结过程中，铋元素的挥发会导致氧空位缺陷（）的产生，导致其压电活性较低（一般地， d 33 = 6 ~ 8 pC/N ）。在前期工作中，中山大学团队通过 Cr/Ta 离子不等价掺杂有效提升了 BIT 陶瓷的压电性能，压电系数提升至 26 pC/N 的同时，居里温度也维持在 687 ℃ 。前期研究表明， A 位掺杂 Ce 元素能够大幅度提升 BIT 基陶瓷的综合电学性能，因此，本文在前期 B 位不等价掺杂的基础上，通过在 A 位引入离子半径相似的 Ce 3+ 来进一步降低对居里温度的影响，并优化电畴结构，以期协同优化压电性能和居里温度。

3. 文章亮点

（ 1 ）在结合高价 Ta 5+ 和低价 Cr 3+ 的 B 位不等价共掺杂策略的基础上，同时在 A 位引入离子半径相似的 Ce 3+ ，有效降低了 A 位掺杂对居里温度的影响，显著提高了 BIT 基陶瓷的综合电性能。 BiCTCT-4 陶瓷的压电系数高达 37 pC/N ，居里温度高达 681 °C 。

（ 2 ）深入探究了 BiCTCT-4 的压电提升机制。压电力学显微镜以及相场模拟结果表明该组分优异的压电性能归因于较大的畴尺寸、对外电场的更高压电响应以及更高的击穿场强。

4. 研究结果及结论

随着 Ce 掺杂含量增加， (117) 衍射峰向大角度偏移，表明晶格收缩。同时，正交程度 δ （ δ = 2( a - b )/( a + b ) ，衡量晶格畸变程度的参数）也逐渐减小，减小的正交度可能会导致居里温度的降低。

图 1. BiCTCT-100 x 陶瓷的相和微观结构： (a) BiCTCT-100 x 陶瓷的 XRD 图谱； (b) BiCTCT-4 陶瓷的晶体结构； (c-g) BiCTCT-100 x 陶瓷的 XRD 精修结果。

此外，氧空位浓度也基本随着 Ce 含量的增加而减小。 Ce 3d 谱图显示 Ce 元素基本是以 +3 价的价态掺杂进入 A 位，当离子半径较小的 Ce³⁺ 离子（ 1.01 Å ）取代 Bi³⁺ 离子（ 1.03 Å ）时，会导致晶格收缩，这与 XRD 结果相符。

图 2. BiCTCT-0 、 BiCTCT-2 、 BiCTCT-4 和 BiCTCT-8 陶瓷的 X 射线光电子能谱： (a)O 1s 谱图； (b)Bi 4f 谱图； (c)Ti 2p 谱图； (d)Ce 3d 谱图； (e)Cr 2p 谱图。

当 x = 0.04 时，陶瓷实现优异居里温度为 681 ℃ （纯 BIT 的居里温度为 675 ℃ ）。当温度为 500 ℃ 时， BiCTCT-4 的介电损耗小于 0.1 。同时，室温下， BiCTCT-4 陶瓷展现了最大压电系数为 37 pC/N ，与其他掺杂剂改性 BIT 基陶瓷性能进行比较，本工作实现了压电性能和居里温度的协同优化，具有明显优势。

图 3. BiCTCT-100 x 陶瓷的介电与压电特性： (a) 相对介电常数（ ε r ）在 100 kHz 频率下于 300 至 700 °C 温度范围内的测量结果； (b) 介电损耗（ tan δ ）在 100 kHz 频率下于 30 至 700 °C 温度范围内的测量结果； (c) 居里温度（ T C ）及 500 °C 下的 tan δ 值随 Ce 掺杂含量的变化关系； (d) 压电常数 d 33 随 Ce 掺杂含量的变化趋势； (e) 热退火温度对 d 33 值的影响； (f) 各类 BIT 基陶瓷的 d 33 与 T C 参数比较。

相较于 BiCTCT-0 ， BiCTCT-4 拥有更大尺寸、排列更加规整的畴结构，以及更大的压电响应，这也是 BiCTCT-4 的压电常数提高的原因。此外，采用写畴表征，在± 70 V 直流电压下对 BiCTCT-4 陶瓷的极化动力学进行了研究。结果表明 BiCTCT-4 样品中发生了 180° 的极化反转，证明了该陶瓷具有高效的极化动力学特性以及增强的局部压电响应。

图 4. BiCTCT-100 x 陶瓷的畴结构表征（测试区域均为 30×30 μm ）： (a1)-(a3) BiCTCT-0 样品的 VPFM 振幅、相位以及振幅的统计分布； (b1)-(b3) BiCTCT-4 样品的 VPFM 振幅、相位以及振幅的统计分布； (c1)-(c3) BiCTCT-8 样品的 VPFM 振幅、相位以及振幅的统计分布； (d1)-(d3) BiCTCT-4 陶瓷写畴前后的 PFM 图像，以及图 7(d2) 中沿蓝色标记线的相位角分布图。施加电压为 70V ，测量区域为 10×10 μm 。

相场模拟结果显示， BiCTCT-4 陶瓷在 10 kV/mm 的电场强度下的击穿时间为 56.60 ns ，几乎是 BiCTCT-0 陶瓷（ 30.44 ns ）的两倍。同时，与 BiCTCT-0 陶瓷相比， BiCTCT-4 陶瓷具有更高的晶界密度，其电势分布更为均匀。这种均匀性降低了局部击穿的可能性。因此， BiCTCT-4 陶瓷介电性能的增强以及微观结构特征共同作用，使其具有更高的击穿强度和更好的压电响应。

图 5. BiCTCT-0 和 BiCTCT-4 陶瓷的相场模拟： (a, b) 从 BiCTCT-0 和 BiCTCT-4 陶瓷的扫描电子显微镜（ SEM ）图像中提取的初始模拟区域； (c, e) BiCTCT-0 和 BiCTCT-4 陶瓷中局部电树枝随时间的演化情况； (d, f) BiCTCT-0 和 BiCTCT-4 陶瓷的电势随时间的分布情况。

5. 作者及研究团队简介

通讯作者：戴叶婧，博士毕业于清华大学，现任中山大学材料学院教授、博士生导师、逸仙优秀学者。致力于无铅压电陶瓷、缺陷偶极子、压电电子学 / 压电光子学等研究工作。已发表学术论文 90 余篇，引用超过 8000 次；授权国家发明专利 8 项；作为负责人主持国家重点研发计划子课题、国家自然科学基金面上项目、广东省杰出青年科学基金等项目。

通讯作者：李斌，博士毕业于国防科技大学，现任中山大学材料学院教授、博士生导师、逸仙杰出学者。主要从事航天复合材料和智能感知材料方面的研究工作。出版了首部氮化物航天透波领域的专著，发表学术论文 160 余篇；授权国家发明专利 48 项；获省部级技术发明一等奖 1 项，二等奖 1 项；入选国家万人计划科技创新领军人才。

作者及研究团队在 Journal of Advanced Ceramics 上发表的相关代表作：

1. S. Tian, B. Li*, Y.J. Dai*. Distinguishing electrotensile strain and electrobending strain. Journal of Advanced Ceramics 14 (2025) 9221048.

2. X.Y. Chen, Z.Q. Ma, B. Li*, Y.J. Dai*.Enhanced piezoelectric performance of Cr/Ta non-equivalent co-doped Bi 4 Ti 3 O 12 -based high-temperature piezoceramics, Journal of Advanced Ceramics 13 (2024) 263-271.

3. L.X. Lai, Z.H. Zhao, S. Tian, B. Ou, G.Y. Liang, B. Li*, Y.J. Dai*. Ultrahigh electrostrain with excellent fatigue resistance in textured Nb 5+ -doped (Bi 0.5 Na 0.5 )TiO 3 -based piezoceramics, Journal of Advanced Ceramics 12 (2023) 487-497.

《先进陶瓷（英文）》（ Journal of Advanced Ceramics ）期刊简介

《先进陶瓷（英文）》于 2012 年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，由清华大学材料学院新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室提供学术支持，主编为清华大学林元华教授、郑州大学周延春教授和广东工业大学林华泰教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被 SCIE 、 Ei Compendex 、 Scopus 、 DOAJ 、 CSCD 等数据库收录。现为月刊，年发文量近 200 篇， 2024 年 6 月发布的影响因子为 18.6 ，位列 Web of Science 核心合集中 “ 材料科学，陶瓷 ” 学科 31 种同类期刊第 1 名，是 2025 年中国科学院期刊分区表的材料科学 1 区的 Top 期刊。 2024 年入选 “ 中国科技期刊卓越行动计划二期 ” 英文领军期刊项目。

期刊主页： https://www.sciopen.com/journal/2226-4108

投稿地址： https://mc03.manuscriptcentral.com/jacer

期刊 ResearchGate 主页： https://www.researchgate.net/journal/Journal-of-Advanced-Ceramics-2227-8508

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