科学网—景德镇陶瓷大学沈宗洋：(W,Cr)共掺杂协同提升高温0.3 Na 0.5 Bi 2.5 Nb 2 O 9-0.7 Bi 3 TiNbO 9的性能-清华大学出版社学术期刊的博文

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2026-5-18 15:49

| 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:

Zhang Z, Song F, Wen Q, et al. Synergistically enhances piezoelectricity and resistivity of high temperature 0.3Na 0.5 Bi 2.5 Nb 2 O 9 –0.7Bi 3 TiNbO 9 ceramics by (W,Cr) co-doping. Journal of Advanced Ceramics , 2026, https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221281

文章 DOI ： 10.26599/JAC.2026.9221281

ResearchGate ： Synergistically enhances piezoelectricity and resistivity of high temperature 0.3Na 0.5 Bi 2.5 Nb 2 O 9 -0.7Bi 3 TiNbO 9 ceramics by (W,Cr) co-doping

基金支持：

本工作得到江西省重点研发项目 (20223BBE51018) 以及江西省研究生创新基金 (YC2024-B241) 的资助

一、 导读

高温传感器急需兼具高居里温度 ( T C ) 与优异压电性能的材料，然而铋层状压电陶瓷 ( 如 BTN) 的压电系数 ( d 33 ) 和高温电阻率较低。本研究通过构建 0.3NBN-0.7BTN 的陶瓷固溶体，并引入 B 位 (W,Cr) 复合离子进行掺杂，通过“诱导晶格畸变”与“构建缺陷偶极子”的双重机制，有效抑制氧空位浓度，实现了材料电阻率和压电性能的协同提升。优化后陶瓷的 d 33 提升至 20.3 pC/N ，在 500 °C 下电阻率高达 7.3×10 7 Ω·cm ，经 600 ℃ 退火后仍保持约 93% 的初始 d 33 ，表明在高温传感器领域有潜在的应用价值。

二、 研究背景

压电材料是一种能够实现电能和机械能高效转换的功能材料，广泛应用于航空航天、地质勘探、核能等领域。随着高科技产业的快速发展，压电器件的性能和工作温度面临着新的挑战。例如，航空发动机振动监测传感器的制造需要具有高居里温度 ( T C ) 、合理的压电系数 ( d 33 ) 和高温电阻率的压电陶瓷材料，而目前被广泛应用的钙钛矿型铅基压电陶瓷由于居里温度 T C 一般在 350 o C 以下，无法满足高温传感器等器件的制作要求。 Bi 3 TiNbO 9 (BTN) 作为一种典型的具有 2 层类钙钛矿层的铋层状压电陶瓷，其居里温度高达 910 o C ，但其压电常数 ( d 33 ≈3 pC/N) 和电阻率较低 ( ＜ 10 5 Ω·cm @500 o C) ；此外，同样属于 m =2 的铋层状化合物 Na 0.5 Bi 2.5 Nb 2 O 9 (NBN) 陶瓷也具有较高的居里温度 T C ≈790 o C ，但其压电常数也不高 ( d 33 ≈9.2 pC/N) 。基于 NBN 和 BTN 同属于 m =2 的铋层状压电陶瓷，我们前期制备了一种新型固溶体陶瓷 x Na 0.5 Bi 2.5 Nb 2 O 9 -(1- x )Bi 3 TiNbO 9 [ x NBN-(1- x )BTN] ，并在 x =0.3 的组分下获得压电常数 d 33 =11.2 pC/N ，居里温度 T C =848.4 o C ，电阻率 ρ =5.5×10 6 Ω·cm 等较优的综合性能。然而，其综合性能仍需要进一步提高，以满足高温传感器制作的要求。鉴于复合阳离子共掺杂策略已被大量研究证实是显著改善 BLSFs 陶瓷压电性能的有效途径，本工作通过引入 (W 1/3 Cr 2/3 ) 4+ 复合离子对 0.3NBN-0.7BTN 固溶体进行改性。该策略旨在通过组分优化与缺陷工程，协同提升体系的压电常数与高温电阻率。

三、文章亮点

(1) 固溶体与复合离子共掺杂的协同策略：传统铋层状压电陶瓷（ BLSFs ）的改性往往依赖单一手段，难以实现综合性能的全面跨越。该研究通过构建 0.3NBN-0.7BTN 固溶体系统，并在此基础上引入 B 位 (W,Cr) 复合离子进行共掺杂。这种 “ 固溶体 + 双离子修饰 ” 的叠加策略，成功打破了原有材料体系的局限，为高性能高温压电材料的研发提供了一种新的思路。

(2) “晶格畸变 - 缺陷偶极子”双重物理机制：研究从多维度尺度揭示了性能提升的根本原因。一方面， W/Cr 离子的引入打破了晶格的长程有序性，诱导了氧八面体的显著畸变，从而改善了畴结构，极大增强了压电响应。另一方面， W 的高价施主掺杂与 Cr 诱导形成的缺陷偶极子协同作用，有效地抑制了高温下自由载流子的迁移。这一双重机制从根本上解决了压电性能与绝缘性能难以兼顾的问题。

(3) 高温电阻率与压电性能上的突破：在保证材料具备极高居里温度 ( T C =845.9 o C) 的前提下，优化后的陶瓷取得了较为显著的性能突破。其压电系数大幅度提升至 20.3 pC/N ，是纯 BTN 陶瓷的数倍；同时，在 500 o C 的高温环境下，材料的电阻率仍然具有 7.3×10 7 Ω·cm ，这种高电阻率使材料能够承受更高的极化电场，从而实现极化效率与压电输出的成倍增长。

四、研究结果及结论

(1) (W 1/3 Cr 2/3 ) 4+ 复合离子掺杂 0.3NBN-0.7BTN 压电陶瓷的制备与相组成

该研究工作采用传统固相法成功制备了 0.3Na 0.5 Bi 2.5 Nb 2 O 9 -0.7Bi 3 Ti 1- x (W 1/3 Cr 2/3 ) x NbO 9 系列陶瓷 ( x =0-0.06) ，系统地研究了 W/Cr 协同掺杂对相组成、微观结构和电学性能的影响。随着 W/Cr 协同掺杂量的增加， (20 10 )/(02 10 ) 衍射峰发生劈裂，表明晶体的正交性增强，由于掺杂离子电负性与离子半径的综合影响，晶胞体积先减小后增大，而正交畸变 ( a / b ) 在 x =0.04 时达到最大值。

图 1 (a-b) 0.3NBN-0.7BTN-WC x 陶瓷在室温下的 XRD 图和局部放大图； (c) BTN 陶瓷的晶体结构示意图； (d-e) 0.3NBN-0.7BTN-WC x 陶瓷的晶胞参数及正交畸变 ( a / b ) 随 x 的变化关系图。

精修结果的高可靠度指标 ( R wp ＜ 7% ， GOF ＜ 2) 证实了结构分析的准确性。进一步可视化结果直观显示， W/Cr 协同掺杂使得氧八面体偏离 c 轴的倾斜角 ( α ) 从 8.67 o 显著增加至 12.31 o ( x =0.04 时最大 ) ，这种结构的显著畸变是提升材料压电性能的关键基础。

图 2 (a-b) 0.3NBN-0.7BTN-WC x ( x =0, 0.04) 陶瓷样品的 Rietveld 精修结果； (c) 0.3NBN-0.7BTN-WC x 陶瓷沿 c 轴方向的八面体倾斜角度。

(2) (W 1/3 Cr 2/3 ) 4+ 复合离子掺杂 0.3NBN-0.7BTN 压电陶瓷的电学性能

随着掺杂量增加，材料的居里温度 ( T C ) 呈单调微降趋势。然而，由于内部载流子浓度的降低， 500 ℃ 下的高温介电损耗被大幅度抑制，且 x =0.04 的样品展现出较为优异的介电温度稳定性。此外，掺杂提高了介电弥散指数 ( γ ) ，这种增强的弛豫特性有效降低了畴壁能，使铁电畴在外场下更易翻转，从而有助于增强陶瓷的压电性能。

图 3 (a) 0.3NBN-0.7BTN-WC x 陶瓷在 100 kHz 频率下测试的 ɛ r 和 tan δ 随温度的变化关系(插图为 ɛ r 在 790 o C 和 920 o C 之间的放大图)； (b) 0.3NBN-0.7BTN-WC x 陶瓷的居里温度 T C 随掺杂量 x 的变化关系； (c) 0.3NBN-0.7BTN-WC x 陶瓷在 500 o C 下的介电损耗值 tan δ 500 oC 与相对介电损耗值 (tan δ 500 oC / tan δ RT ) 随掺杂量 x 的变化关系； (d) 100 kHz 时 0.3NBN-0.7BTN-WC x 陶瓷的介电常数温度系数 ( Tk ɛ ) 随温度的变化关系 ( 插图为 500 o C 下 Tk ɛ 与 x 的关系图 ) ； (e-f) 100 kHz 时 0.3NBN-0.7BTN-WC x 陶瓷中弥散系数 ( γ ) 随 W/Cr 共掺杂量 x 的关系。

电导率的阿伦尼乌斯拟合表明，低温区的导电主要受氧空位缺陷主导，而高温区则转变为本征热激活离子导电。 W/Cr 共掺杂通过施主效应及构建缺陷偶极子，将氧空位有效 “ 钉扎 ” ，使其不参与导电过程。在此机制下， x =0.04 样品在 500 ℃ 时的电阻率高达 7.3×10 7 Ω·cm 。

图 4 (a) 0.3NBN-0.7BTN-WC x 陶瓷的直流电阻率随 x 的变化关系； (b) 0.3NBN-0.7BTN-WC x 陶瓷的电导率随温度的依赖性； (c) 所有陶瓷在低温和高温下的活化能随 x 的变化关系 ; (d) 在 500 o C 下所有样品陶瓷的直流电阻率随掺杂量 x 的变化关系。

此外，优化后的陶瓷组分 ( x =0.04) 也同时具有优异的热稳定性。其不仅实现了 20.3 pC/N 的室温高压电常数，且在经过 600 ℃ 的高温退火后，压电性能仍保持初始值的 93.1% 。与文献报道的其他 BTN 基或 NBN 基陶瓷体系相比，本研究成果在维持高 T C 与突破低 d 33 之间取得了较好的综合平衡。

图 5 (a) 0.3NBN-0.7BTN-WC x 陶瓷的退火稳定性，其中插图分别显示了室温和 600 o C 下的压电系数； (b) 本工作与 NBN 基、 BTN 基陶瓷的 T C 与 d 33 性能的对比关系图。

五、作者及研究团队简介

张智鹏（第一作者）， 景德镇陶瓷大学材料科学与工程学院博士研究生。主要从事铋层状压电陶瓷材料的制备及性能调控的研究。

宋福生（共同第一作者） ， 高级工程师，景德镇陶瓷大学硕士生导师。主要从事功能陶瓷和陶瓷色料的设计开发、材料测试与表征技术研究。主持完成江西省自然科学基金、江西省教育厅项目等科研课题 5 项，参与完成国家自然科学基金、江西省科技厅重点研发计划等项目 10 项。迄今在 、 、 等国内外学术期刊发表学术论文 10 余篇。

沈宗洋（通讯作者）， 武汉理工大学博士，清华大学博士后，美国宾西法尼亚州立大访问学者，澳大利亚伍伦贡大学访问教授。现任景德镇陶瓷大学教授，博士生导师，材料科学与工程学院院长。主要研究方向包括电介质储能陶瓷和压电陶瓷，主持国家自然科学基金项目 4 项，主持中国博士后科学基金、江西省重点研发计划“揭榜挂帅”项目和省自然科学基金重点项目等 17 项；迄今在 、 、 、 等国内外学术期刊上以第一 / 通讯作者发表 SCI/EI 学术论文 70 余篇。

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

1. Wen Q, Guo H-H, Shen Z-Y, et al. MnO 2 doping induced structural tuning drives superior piezoelectric response in CaBi 4 Ti 4 O 15 -based ceramics. Journal of Advanced Ceramics , 2025, 14(4): 9221051. https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221051

2. Li D-X, Deng W, Shen Z-Y, et al. Aliovalent Sm-doping enables BNT-based realxor ferroelectric ceramics with > 90% energy efficiency. Journal of Advanced Ceramics , 2024, 13(12): 2043-2050. https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220999

3. Shi X, Li K, Shen Z-Y, et al. BS 0.5 BNT-based relaxor ferroelectric ceramic/glass–ceramic composites for energy storage. Journal of Advanced Ceramics , 2023, 12(4): 695-710. https://doi.org/10.26599/JAC.2023.9220713

4. Z.P. Li † , D-X. Li † , Z-Y. Shen*, et al. Remarkably enhanced dielectric stability and energy storage properties in BNT–BST relaxor ceramics by A-site defect engineering for pulsed power applications, Journal of Advanced Ceramics, 2022, 11(2): 283-294. DOI: 10.1007/s40145-021-0532-8 .

5. D.X. Li † , X.J. Zeng † , Z.P. Li, et al. LI D, ZENG X, LI Z, et al. Progress and perspectives in dielectric energy storage ceramics. Journal of Advanced Ceramics , 2021, 10(4): 675-703. https://doi.org/10.1007/s40145-021-0500-3

6. LI D, SHEN Z-Y, LI Z, et al. P – E hysteresis loop going slim in Ba 0.3 Sr 0.7 TiO 3 -modified Bi 0.5 Na 0.5 TiO 3 ceramics for energy storage applications. Journal of Advanced Ceramics , 2020, 9(2): 183-192. https://doi.org/10.1007/s40145-020-0358-9

《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， 清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室 提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为中国科学院院士、清华大学林元华教授、苏州国家实验室周延春教授、广东工业大学林华泰教授和哈尔滨工业大学张幸红教授。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， 2025 年发文量为 202 篇； 2025 年 6 月发布的影响因子为 16.6 ，连续 5 年位列 Web of Science 核心合集“材料科学，陶瓷”学科 34 种同类期刊第 1 名； 2024 年 11 月入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目； 2025 年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表材料科学 1 区 Top 期刊。 2023 年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台 SciOpen 独家发布，标志着该刊结束多年来“借船出海”的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。

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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