Synergistic enhancement of piezoelectric performance and temperature stability of lead zirconate titanate ceramics

材料科学 压电 锆钛酸铅 四方晶系 陶瓷 居里温度 压电系数 复合材料 热稳定性 偶极子 钛酸酯 电介质 相(物质) 钙钛矿(结构) 锆酸盐 兴奋剂 凝聚态物理 热膨胀 机电耦合系数 铁电性 热的 磁滞 矿物学 铁电陶瓷 空位缺陷 热障涂层
作者
Weiling Wang,Wanfeng Zhuang,Zhongquan Cui,Ning Chen,Na Liu,J. Zhu
出处
期刊:Journal of the American Ceramic Society [Wiley]
卷期号:109 (1)
标识
DOI:10.1111/jace.70516
摘要

Abstract The rapid advancement of modern electromechanical applications has imposed urgent demands for piezoelectric ceramics featuring both superior piezoelectric performance and a broad operational temperature range. Nevertheless, concurrently achieving high piezoelectricity and reliable thermal stability in lead zirconate titanate (PZT)‐based piezoceramics remains a herculean challenge. To address this issue, we designed a [Pb 0.99 Sm 0.01 ][(Zr 0.54 Ti 0.46 ) 1− x Ta x ]O 3 (PSZT‐ x Ta) ceramic system. By introducing defect dipoles via heterovalent ion doping in the perovskite ABO 3 lattice to suppress oxygen vacancies, we realized exceptional properties in the PSZT‐0.03Ta ceramics, including a Curie temperature ( T C ) of 334°C, a piezoelectric coefficient ( d 33 ) of 539 pC/N, and an electromechanical coupling factor ( k p ) of 0.63. These materials also exhibited excellent thermal stability, with d 33 varying by less than 10% from 18 to 188°C and k p and resonance frequency ( f r ) changing by only 3.5% and 2%, respectively, from 30 to 200°C. The synergism between high piezoelectricity and thermal stability arises from the synergistic interplay of multiple factors: The stable coexistence of tetragonal (T) and rhombohedral (R) phases at the morphotropic phase boundary, where the R phase contributes significant lattice distortion and volume expansion while the T phase ensures structural stability; A hierarchical domain structure comprising micrometer‐scale domains and nano‐stripe domains; Defect dipoles that effectively mitigate oxygen vacancy formation.
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