隨著現(xiàn)代科學技術的快速發(fā)展,高溫環(huán)境下的位移驅動、超聲波檢測、振動測量和能量采集的應用越來越廣泛。例如汽車內燃機燃油電噴系統(tǒng)使用的多層壓電驅動器、深地石油開采測井用的壓電超聲換能器,核反應堆一回路管道中使用的壓電超聲波定位探測器等,都必須選用至少可耐受260 ℃高溫的壓電材料,這樣才能保證壓電器件可在較寬溫度范圍內正常工作。尤其是在航空航天領域,大型航空發(fā)動機和航天推進器關鍵部位的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的核心部件即是能耐受482 ℃甚至是649 ℃高溫的壓電加速度傳感器。
壓電材料是壓電器件的核心。其中Aurivilius相化合物是高溫壓電材料的。這一類化合物的晶體由類螢石結構的鉍氧層([Bi2O2]2+)和類鈣鈦礦結構的([Am-1BmO3m+1]2-)層沿c軸方向有規(guī)律地相互交替排列而成,類鈣鈦礦結構中A位的Bi原子相對于氧八面體鏈沿a軸的偏離使得晶胞形成自發(fā)極化。因此,它們也被稱作鉍層狀結構鐵電體(BLSFs)。高靈敏度、高工作溫度、高穩(wěn)定性壓電器件需要壓電材料具有高壓電系數(d33)、高居里溫度(TC)、高電阻率(ρ)以及良好的熱穩(wěn)定性(抗熱退極化、介電常數的溫度系數等)。對BLSFs的摻雜改性往往又很難兼顧其TC的穩(wěn)定和d33的提升,特別是通常的施主摻雜提升材料的電阻率后,又很難保持其良好的熱穩(wěn)定性。
鈮酸鈦鉍(Bi3TiNbO9,簡稱BTN)由一層鉍氧層([Bi2O2]2+)和兩層類鈣鈦礦層([BiTiNbO7]2-)沿c軸交錯間隔構成,因為其具有很高的居里溫度(TC=914 ℃),有望應用于工作溫度高于482 ℃的超高溫壓電器件之中。但純BTN陶瓷表現(xiàn)出極低的壓電性能(d33~3 pC/N)和很低的高溫電阻率(600 ℃下,往往只有103 Ω·cm數量級),熱穩(wěn)定性也很不理想。這些缺點大大地限制了其在高溫環(huán)境下的實際應用。