壓電陶瓷作為機(jī)電耦合系統(tǒng)中的核心功能材料，通過其固有的正/逆壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)電能與機(jī)械能的雙向轉(zhuǎn)換，在航空航天作動(dòng)器、核反應(yīng)堆輻射環(huán)境、水下?lián)Q能器等極端工況中具有重要應(yīng)用。隨著工業(yè)系統(tǒng)的發(fā)展，對(duì)兼具高居里溫度（Tc≥350°C）和高壓電系數(shù)（d33>500 pC/N）的新一代壓電陶瓷需求日益迫切。傳統(tǒng)鋯鈦酸鉛（PZT）陶瓷雖因簡單的制備工藝和準(zhǔn)同型相界（MPB）附近優(yōu)異的壓電性能被廣泛應(yīng)用，但其居里溫度通常低于380°C，實(shí)際工作溫度受熱退極化效應(yīng)限制僅能達(dá)到Tc的一半（約200°C），難以滿足高溫應(yīng)用需求。基于鈣鈦礦結(jié)構(gòu)容忍因子與居里溫度的關(guān)聯(lián)性，低容忍因子的BiScO?-PbTiO?（BS-PT）體系因其在MPB區(qū)域表現(xiàn)出d33=460 pC/N的高壓電響應(yīng)和Tc~450°C的高居里溫度，成為高溫壓電陶瓷的理想候選材料。

盡管BS-PT體系具有優(yōu)異的綜合性能，但現(xiàn)有改性策略仍存在顯著局限性。通過引入第三組元（如CaTiO?、LiNbO?等）雖可提升壓電性能，但低居里溫度的端元組分（如Pb(Ni?/?Nb?/?)O?和Pb(Zn?/?Nb?/?)O?的Tc分別僅為-120°C和140°C）會(huì)顯著降低體系的Tc和熱穩(wěn)定性。此外，傳統(tǒng)BS-PT陶瓷在高溫下的應(yīng)變響應(yīng)和介電損耗性能仍需優(yōu)化，其退極化行為和工作溫度范圍內(nèi)的性能波動(dòng)限制了其在寬溫域高穩(wěn)定性執(zhí)行器中的應(yīng)用。因此開發(fā)一種既能維持高居里溫度，又能通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)協(xié)同提升壓電性能和溫度穩(wěn)定性的新型改性策略，成為當(dāng)前高溫壓電材料研究的核心挑戰(zhàn)。

針對(duì)上述研究背景與現(xiàn)存問題，武漢理工大學(xué)利用澤攸科技ZEM系列臺(tái)式掃描電鏡進(jìn)行了深入研究，該團(tuán)隊(duì)通過將高居里溫度的弛豫鐵電體Pb(In?/?Nb?/?)O?（PIN）引入BiScO?-PbTiO?（BS-PT）體系，成功開發(fā)出0.05PIN-(0.95-x)BS-xPT（PIN-BS-xPT）三元壓電陶瓷，解決了傳統(tǒng)改性策略中居里溫度下降和熱穩(wěn)定性不足的問題。相關(guān)成果以“Structure, electrical properties and temperature stability of Pb(In?/?Nb?/?)O?-BiScO?-PbTiO? high-temperaturepiezoelectric  ceramics”為題發(fā)表在SSRN上。

本研究聚焦于開發(fā)兼具高壓電響應(yīng)和優(yōu)異溫度穩(wěn)定性的新型高溫壓電陶瓷，通過將高居里溫度的弛豫鐵電體Pb(In?/?Nb??)O?（PIN）引入BiScO?-PbTiO?（BS-PT）體系，構(gòu)建了0.05PIN-(0.95-x)BS-xPT（PIN-BS-xPT）三元固溶體。研究采用傳統(tǒng)固相反應(yīng)法制備陶瓷，系統(tǒng)考察了不同PbTiO?（PT）含量（x=0.57–0.62）對(duì)材料相結(jié)構(gòu)、微觀形貌、介電/壓電性能及溫度穩(wěn)定性的影響。

圖 PIN-BS-xPT陶瓷的Rietveld精修結(jié)果

X射線衍射（XRD）和Rietveld精修分析表明，隨著PT含量增加，陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)從菱方相（R3m）逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆较啵≒4mm），并在x=0.59附近形成準(zhǔn)同型相界（MPB），該區(qū)域因多相共存和極化協(xié)同效應(yīng)展現(xiàn)出優(yōu)異的壓電性能。掃描電鏡顯示所有組分均具有致密微觀結(jié)構(gòu)，平均晶粒尺寸約3 μm，且無明顯氣孔，確保了良好的機(jī)械性能。

圖 PIN-BS-xPT陶瓷斷口表面的SEM圖像

電學(xué)性能測試表明，MPB組分（x=0.59）表現(xiàn)出d??=522 pC/N、k?=0.56、TC=402°C的性能，遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)BS-PT陶瓷。通過Rayleigh分析發(fā)現(xiàn)，高壓電響應(yīng)源于PIN引入的局域結(jié)構(gòu)異質(zhì)性和MPB區(qū)域增強(qiáng)的可逆/不可逆疇壁運(yùn)動(dòng)。此外，該組分在20 kV/cm電場下可產(chǎn)生0.12%的高應(yīng)變，且應(yīng)變滯后（HS）低于30%，適用于高精度執(zhí)行器應(yīng)用。

圖 PIN-BS-xPT陶瓷的溫度穩(wěn)定性

溫度穩(wěn)定性研究表明，PIN-BS-0.59PT陶瓷在300°C退火后仍保留90%的初始d??值，且在30–200°C范圍內(nèi)應(yīng)變波動(dòng)僅13.5%，展現(xiàn)出優(yōu)異的抗熱退極化能力。這種穩(wěn)定性歸因于PIN的高TC（320°C）和BS-PT基體的固有高溫特性，使得材料在極端環(huán)境下仍能保持可靠性能。該研究通過PIN-BS-PT三元體系設(shè)計(jì)，成功實(shí)現(xiàn)了壓電性能與溫度穩(wěn)定性的協(xié)同優(yōu)化，為高溫壓電器件（如航空航天作動(dòng)器、核能傳感器等）提供了高性能材料解決方案。研究成果不僅拓展了BS-PT基陶瓷的應(yīng)用范圍，也為后續(xù)開發(fā)新型高溫壓電材料提供了理論指導(dǎo)。澤攸科技ZEM系列臺(tái)式掃描電鏡是一款集成度高、便攜性強(qiáng)且經(jīng)濟(jì)實(shí)用的科研設(shè)備。它具備快速抽真空、高成像速度、多樣的信號(hào)探測器選擇，適用于形貌觀測和成分分析，還能適配多種原位實(shí)驗(yàn)需求。該設(shè)備對(duì)安裝環(huán)境要求低，不挑樓層，操作簡單，非專業(yè)人士也能快速上手，且購買及維護(hù)成本均低于落地式掃描電鏡，現(xiàn)已成為許多高校、研究所和企業(yè)的選擇設(shè)備之一。