科学网—成都大学陈渝团队：Li/Mn共掺杂K 0.5 Bi 4.5 Ti 4 O 15高温压电陶瓷的结构、性质及超声换能器应用-清华大学出版社学术期刊的博文

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2026-5-7 08:54

| 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

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Wang J, Zhou Z, Xu C, et al. Li/Mn co-doped K 0.5 Bi 4.5 Ti 4 O 15 high-temperature piezoelectric ceramics: structures, properties, and ultrasonic transducer applications. Journal of Advanced Ceramics , 2026, 15(4): 9221277. https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221277

文章 DOI ： 10.26599/JAC.2026.9221277

ResearchGate ： Li/Mn co-doped K 0.5 Bi 4.5 Ti 4 O 15 high-temperature piezoelectric ceramics: Structures, properties, and ultrasonic transducer applications

基金支持： 本工作得到国家自然科学基金（ No. 12372179 ）资助。

一、 导读

随着航空航天、深井钻探等极端环境探测需求的日益增长，开发具有高居里温度（ T C ）和强压电活性（ d 33 ）的高温压电陶瓷已成为功能材料领域的迫切挑战。传统铅基压电陶瓷因居里温度较低且存在环境污染问题，难以满足高温作业需求。针对这一难题，成都大学机械工程学院陈渝教授团队通过 Li/Mn 协同掺杂 ，实现了材料 d 33 、 T C 与 k p 的协同提升。其中，最优组分 KBT–LM55 的 d 33 达 30 pC/N ， T C 提升至 590 ℃ ， k p 达 6.4% ，并在 500 ℃ 退火 4 h 后仍保持约 80% 的初始 d 33 ，进一步完成了高温超声换能器器件验证，展现出良好的应用潜力。

二、 研究背景

压电陶瓷广泛应用于传感、驱动和能量转换等领域，但其核心性能之间往往存在制约关系，尤其是高压电活性、高居里温度、高机电耦合和低损耗难以兼得。 Aurivillius 型铋层状结构陶瓷因具有较高居里温度而备受关注，但 K 0.5 Bi 4.5 Ti 4 O 15 （ KBT ）仍存在压电性能有限、高温导电损耗较大等问题。因此，如何通过掺杂设计实现多性能共高，成为研究关键。

三、 文章亮点

（1） 提出 Li/Mn 协同掺杂策略，实现 KBT 晶体结构与电学性能的协同优化： Li/Mn 协同取代 K/Bi 后，不仅稳定了 KBT 主相，还有效降低了杂相 Bi 1.74 Ti 2 O 6.624 含量，调节了晶格各向异性、 TiO 6 八面体畸变以及层间耦合，为性能提升奠定了结构基础。

（2） 在抑制漏导的同时兼顾畴壁运动，实现 “ 导电抑制 — 极化响应 ” 的平衡调控： Li/Mn 掺杂使 KBT 的介电行为由尖锐的 λ 型相变向弥散或弛豫型响应转变，同时有效抑制高温漏导，改善绝缘性能。这种调控并非单纯牺牲极化能力，而是在缺陷化学调节基础上，实现了导电损耗抑制与畴壁运动之间的平衡。

（3） 获得最优组分 KBT–LM55 ，并完成高温超声换能器验证： KBT–LM55 表现出最优综合性能： d 33 达到 30 pC/N ， k p 为 6.4% ， T C 达到 590 ℃ ，室温 tan δ 低至 0.23% ； 500 ℃ 退火 4 h 后， d 33 仍保留约 80% ，共振测试表明 k p 可稳定至 325 ℃ 。进一步地，基于该材料构建的脉冲回波超声换能器在 250 ℃ 下仍能保持稳定信号，中心频率为 2.24 MHz ， -6 dB 带宽为 33.95% ，峰峰值 V p-p 为 1.94 V 。

四、 研究结果及结论

（1） 适量 Li/Mn 掺杂显著改善 KBT 相结构与烧结行为

研究团队采用传统固相法制备了 (KBi) 0.5− x (LiMn) x Bi 4 Ti 4 O 15 系列陶瓷（ x = 0–0.065 ），系统考察了 Li/Mn 协同掺杂对相组成、微结构和电学性能的影响。结果显示，适量 Li/Mn 掺杂可降低 KBT 的有效烧结温度，由未掺杂样品的 1150 ℃ 降低至约 1080 ℃ ，同时抑制 Bi 挥发和相关氧空位积累，减少杂相生成并细化晶粒，使样品整体微结构更均匀。

图 1 (a) KBT–LM1000 x 陶瓷在 2 θ 为 10°–90° 范围内的 XRD 图谱； (b) KBT–LM1000 x 陶瓷的晶胞形貌与结构； (c–h) KBT 、 KBT–LM45 、 KBT–LM50 、 KBT–LM55 、 KBT–LM60 及 KBT–LM65 样品的 Rietveld 精修结果； (i) KBT–LM1000 x 陶瓷的晶格参数（ a 、 b 、 c ）。

Rietveld 精修表明， KBT–LM55 样品具有最低的 Bi 1.74 Ti 2 O 6.624 杂相含量，并表现出更明显的面内晶格各向异性。进一步的结构分析发现， Li/Mn 掺杂提高了 TiO 6 八面体倾斜程度，并重构了旋转行为，说明掺杂改变了局域结构畸变方式与层间耦合关系。这些变化共同促进了材料结构完整性提升，也为后续极化响应增强提供了基础。

图 2 (a) KBT–LM1000 x 陶瓷沿 c 轴方向的八面体倾斜结构； (b) KBT–LM1000 x 陶瓷在 a–b 平面内的八面体旋转形貌。

（2） 缺陷化学调控促进高温绝缘与铁电响应同步提升

图 3 (a) 在 1 MHz 频率下测试的 KBT–LM1000 x 陶瓷的 ε r 和 tan δ 随温度的变化关系； (b) 所有 KBT–LM1000 x 陶瓷的归一化 d 33 随退火温度的变化曲线 ( 插图为未归一化的 d 33 随退火温度的变化曲线 ) ； (c) KBT–LM1000 x 陶瓷中居里温度 T C 和弥散系数 γ 随 Li/Mn 共掺杂量 x 的演变规律； (d) KBT–LM1000 x 陶瓷的 ε r 和 tan δ 随组分的变化关系。

在电学层面， Li/Mn 协同掺杂使 KBT 介电相变由传统尖锐型向弥散型或弛豫型转变， γ 和 T C 均随掺杂量增加而逐步上升。论文指出，这一演化来源于 A 位成分无序、局域电荷不均匀、残余应力场及少量杂相共同作用下局部相变温区的展宽。与此同时，掺杂显著降低了高温介电损耗，表明高温漏导和空间电荷极化得到抑制。

图 4 (a–f) KBT–LM1000 x 陶瓷的 P – E 电滞回线与 I – E 曲线； (g) KBT–LM1000 x 陶瓷的剩余极化强度 P r 与矫顽场 E c ； (h) KBT–LM1000 x 陶瓷的压电常数 d 33 及介电极化乘积 ε r P r 。

随着掺杂量增加， KBT 陶瓷的介电行为从尖锐的 λ 型异常转变为弥散型响应，居里温度从 558 ℃ 提升至 597 °C 。在所有组分中， KBT–LM55 展现出最佳综合性能。研究表明，这来源于 “ 适量掺杂 ” 下结构畸变、缺陷调控和畴壁运动之间的协调平衡：一方面，掺杂带来的局域压缩应力和结构调整有利于提升极化上限；另一方面，更均匀的晶粒和更少的缺陷又减轻了畴壁钉扎，使更多畴在外场下能够有效响应。其中， KBT-LM55 组分表现出最优的综合性能： d 33 = 30 pC/N ， T C =590 ℃ ， k p = 6.4% ，室温介电损耗 tan δ 仅为 0.23% 。交流阻抗谱分析表明，掺杂显著提高了电荷迁移势垒，有效抑制了高温漏电流。

图 5 (a) KBT–LM55 陶瓷在不同温度下、基频径向振动模式的谐振 – 反谐振频谱图；插图为频率常数 N p 随温度的变化； (b) k p 与 Q m 随温度的变化； (c) KBT–LM1000 x 陶瓷直流电阻率随温度的变化。

（3） 从材料优化走向器件验证：高温超声换能器展现应用潜力

图 6 (a) 高温超声换能器测试系统示意图 (b) 测试系统实物照片 (c) KBT–LM55 高温超声换能器结构图 (d) KBT–LM55 高温超声换能器实物照片。

为验证材料的器件应用前景，研究团队以 KBT–LM55 为压电层，构建了包含匹配层、压电层和背衬层的高温超声换能器，并进行了脉冲回波测试。结果表明，该器件在 250 ℃ 下仍可保持稳定回波信号， f c 为 2.24 MHz ， -6 dB 带宽为 33.95% ， V p-p 为 1.94 V ；即使在 300 ℃ 时，器件仍能输出清晰可辨的回波信号，中心频率和带宽也保持在可接受范围内。

图 7 (a) 不同温度下测得的 KBT–LM55 超声换能器的脉冲回波波形与频谱。

论文进一步指出，高温下器件信号衰减主要来源于热增强阻尼和介质相关损耗，而并非压电材料本征性能的失效。这意味着，通过进一步优化封装、匹配层和服役介质， KBT 基高温压电器件仍有较大提升空间。总体来看，该研究不仅丰富了 Aurivillius 型高温压电陶瓷的掺杂调控思路，也为其在极端环境超声探测与传感中的应用奠定了材料与器件基础。

图 8 (a) 不同温度下的信噪比（ SNR ）、峰峰值电压（ V p−p ）、中心频率（ f c ）及 −6 dB 带宽（ BW−6 dB ）； (b) 插入损耗与信号能量之间的相关性分析。

五、 作者及研究团队简介

陈渝（通讯作者） ：博士、教授、博士生导师，现任成都大学人事处副处长。主要从事压电材料与器件、陶瓷 3D 打印技术、铁电陶瓷断裂力学、柔性电子与可穿戴设备等方向研究。四川省优质研究生课程《材料结构与性能》教学团队负责人。获中国发明协会发明创业（成果）奖二等奖、中国商业联合会科技进步奖一等奖、中国硅酸盐学会陶瓷分会陶瓷技术创新人才奖、中国航空工业集团公司科学技术奖二等奖等多项科技奖励。

E-mail ： chenyu01@cdu.edu.cn

许嘉赓（通讯作者）： 四川大学固体力学专业博士毕业，现任成都大学机械工程学院讲师。主要从事铋层状压电陶瓷材料制备、性能优化及其在复杂环境下力学行为的研究。主持教育部重点实验室课题 1 项，参与国家自然科学基金重点项目、青年基金项目等多项国家级科研项目。在 J. Materiomics 、 J. Am. Ceram. Soc. 、 J. Adv. Ceram. 、 Ceram. Int. 等本领域主流国际期刊发表 SCI 论文 10 余篇，获授权国家发明专利 2 项。

E-mail ： xujiageng@cdu.edu.cn

王骏楠（ 第一作者 ）， 成都大学机械工程学院硕士研究生（导师：陈渝），主要研究方向为高温铋层状压电陶瓷及其功能器件设计。

E- mail ： wangjunnan@cdu.edu.cn

作者及研究团队在 Journal of Advanced Ceramics 上发表的论文：

1) Chen Y, Zhou Z, Li L, et al. Synergistically enhancing the piezoelectric activity and Curie temperature of CaBi 4 Ti 4 O 15 ceramics via co-doping Gd/Mn at the A/B-site. Journal of Advanced Ceramics , 2024, 13(9): 1482-1497. https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220952

2) Chen Y, Li L, Zhou Z, et al. La 2 O 3 -modified BiYbO 3 –Pb(Zr,Ti)O 3 ternary piezoelectric ceramics with enhanced electrical properties and thermal depolarization temperature. Journal of Advanced Ceramics , 2023, 12(8): 1593-1611. https://doi.org/10.26599/JAC.2023.9220774

3) CHEN Y, WANG S, ZHOU H, et al. A systematic analysis of the radial resonance frequency spectra of the PZT-based (Zr/Ti = 52/48) piezoceramic thin disks. Journal of Advanced Ceramics , 2020, 9(3): 380-392. https://doi.org/10.1007/s40145-020-0378-5

《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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