近年來(lái)，借鑒含鉛PZT基陶瓷中MPB相界處高壓電響應(yīng)的特點(diǎn)，研究人員在KNN基陶瓷中成功構(gòu)建了多晶型相界（PPB），顯著改善了KNN基壓電陶瓷的壓電系數(shù)。然而基于PPB相界策略所開(kāi)發(fā)的高壓電系數(shù)KNN基陶瓷通常表現(xiàn)出d33溫度的不穩(wěn)定性。在實(shí)際應(yīng)用中，不僅要求壓電材料具備高的d33，通常在-20至140℃的溫度范圍內(nèi)也要呈現(xiàn)出良好的溫度穩(wěn)定性。因此，如何協(xié)同優(yōu)化壓電系數(shù)及其溫度穩(wěn)定性是KNN基陶瓷實(shí)現(xiàn)更進(jìn)一步應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題。
近日，同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院翟繼衛(wèi)教授研究團(tuán)隊(duì)在KNN基壓電陶瓷中創(chuàng)新性地構(gòu)建了一種具有MPB特征的擴(kuò)散型PPB相界，用于協(xié)同優(yōu)化壓電系數(shù)及其溫度穩(wěn)定性。研究成果以“Ultrahigh thermal stability and piezoelectricity of lead-free KNN-based texture piezoceramics”為題發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）。
該研究結(jié)合織構(gòu)技術(shù)，將（Bi0.5K0.5）HfO3引入到0.97（Na0.56K0.44）NbO3-0.03Bi0.5Na0.5ZrO3基質(zhì)中，成功構(gòu)建了PPB相界。其中Bi3+和Hf4+有助于擴(kuò)散型O-T相界的初步形成，而織構(gòu)技術(shù)進(jìn)一步改善了相界的溫度穩(wěn)定特性。另一方面，織構(gòu)技術(shù)誘導(dǎo)的<00l>C晶體取向和O-T相界的構(gòu)建可以促進(jìn)電偶極子的有效翻轉(zhuǎn)，保證了較高的壓電響應(yīng)。所開(kāi)發(fā)的KNN基織構(gòu)陶瓷不僅具有高的壓電系數(shù)（d33?～550±30 pC/N），還呈現(xiàn)出超高的溫度穩(wěn)定性（在25-150℃的溫度范圍內(nèi)變化率小于1.2%，在25-250℃內(nèi)變化率小于10%）。
該論文第一單位是同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，學(xué)院碩士生徐禮輝為論文第一作者，沈波副教授和翟繼衛(wèi)教授為論文通訊作者。該研究工作還得到了多個(gè)單位的支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-53437-5
除此之外，翟繼衛(wèi)教授研究團(tuán)隊(duì)還選擇了具有高居里溫度的KNN-BNN作為基礎(chǔ)體系，并同樣利用第三組分（Bi0.5K0.5）HfO3（BKH）進(jìn)行化學(xué)改性，相關(guān)研究成果以“Broad Temperature Plateau for High Piezoelectric Coefficient by Embedding PNRs in Singe-Phase KNN-Based Ceramics”為題發(fā)表于《先進(jìn)功能材料》（Advanced Functional Materials）。
所制備的KNN基陶瓷不僅具有高度的織構(gòu)取向和高的居里溫度，而且成功地?cái)U(kuò)散并降低了TO-T相變溫度，最終在室溫單四方相KNN基織構(gòu)陶瓷基質(zhì)中觀察到極性納米微區(qū)（PNRs）的嵌入。這種新型的多尺度結(jié)構(gòu)使得KNN基陶瓷不僅保持了高居里溫度（～365℃）和高壓電性能（d33?～331 pC/N，d33*～561 pm/V），同時(shí)還獲得了優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性，如在25℃到100℃的溫度范圍內(nèi)，其d33僅變化2.0%（～10.0%到200℃），在25℃到175℃的溫度范圍內(nèi)，其d33*僅變化4.2%（～9.8%到200℃）。
論文第一單位是同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，學(xué)院碩士生華銀、博士生錢進(jìn)為論文共同第一作者，翟繼衛(wèi)教授為論文通訊作者。
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202414348
來(lái)源：同濟(jì)大學(xué)
原文鏈接：https://news.tongji.edu.cn/info/1003/89147.htm
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