壓電陶瓷是一種能夠?qū)C械能和電能相互轉(zhuǎn)換的功能陶瓷材料，在壓電傳感器、驅(qū)動器、換能器和濾波器等器件中得到了廣泛的應用。應用范圍覆蓋航空航天、軍事、信息電子、工業(yè)機械、醫(yī)療、汽車等眾多領(lǐng)域。新型環(huán)境友好型無鉛壓電陶瓷已成為領(lǐng)域發(fā)展的必然趨勢，亦成為當前高技術(shù)新材料的研發(fā)熱點。在無鉛壓電陶瓷體系中，鈮酸鉀鈉K_0.5Na_0.5NbO₃（KNN）和鈦酸鉍鈉Bi_0.5Na_0.5TiO₃（BNT）體系因其優(yōu)異的壓電鐵電特性正贏得眾多學者的關(guān)注與青睞。中南大學張斗教授團隊近期針對KNN和BNT基無鉛壓電陶瓷體系中長期存在的關(guān)鍵科學問題開展實驗與理論研究，取得系列突破，于2024年8月、10月連續(xù)在《Nature Communications》發(fā)表相關(guān)工作。

工作一：高精度壓電驅(qū)動器應用的低遲滯大應變無鉛壓電材料

研究背景：壓電驅(qū)動器具有響應速度快、分辨率高、抗干擾、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便等優(yōu)點，在國防、生物醫(yī)學和光電子等諸多領(lǐng)域獲得成功應用。壓電驅(qū)動器要求壓電陶瓷在較低的電場下具有較高的電致應變和較小的應變滯后，還需具有良好的溫度穩(wěn)定性和優(yōu)異的疲勞特性等。無鉛壓電陶瓷體系中，BNT基弛豫鐵電陶瓷因其可通過相結(jié)構(gòu)調(diào)控獲得高電致應變而受到廣泛關(guān)注，但難以同時實現(xiàn)高應變與低遲滯以及不佳的穩(wěn)定性是尚未解決的關(guān)鍵問題。

成果介紹：以遍歷弛豫態(tài)的鈦酸鉍鈉-鈦酸鍶（(Bi_0.5Na_0.5)_1-x/100Sr_x/100TiO₃）陶瓷作為研究對象，基于其應變遲滯低、穩(wěn)定性優(yōu)異的本征優(yōu)勢，結(jié)合晶粒核殼結(jié)構(gòu)和晶格缺陷結(jié)構(gòu)調(diào)控打破其低應變和高驅(qū)動電場瓶頸。陶瓷晶粒中的鐵電“核”可以促進場致弛豫-鐵電轉(zhuǎn)變；陶瓷內(nèi)部的缺陷偶極子引起偏置電場，誘導產(chǎn)生不對稱雙極應變曲線和高單極應變。x= 30時，陶瓷表現(xiàn)出1.03%的巨大單極應變，應變遲滯為27%；x= 35時，陶瓷在3~5kV/mm的低電場下大信號壓電應變系數(shù)穩(wěn)定在1000pm/V左右，且應變遲滯<10%。該低遲滯高應變還表現(xiàn)出近零的殘余應變、良好的溫度和循環(huán)穩(wěn)定性。通過原位透射電子顯微和壓電力顯微表征，本研究在疇和晶格尺度上揭示了缺陷偶極子和極性納米微區(qū)之間的相互作用以及該體系中低遲滯低場大應變的結(jié)構(gòu)起源。

DOI:10.1038/s41467-024-51082-6

圖1：BNST陶瓷的單極應變性能：在疇工程與缺陷工程作用下，BNST-30的S_uni在8kV/mm下達1.03%，遲滯為27%；BNST-35的S_uni在10kV/mm下達0.78%，遲滯為4.4%；BNST-35的d₃₃^*在3~5kV/mm低場下維持在1000pm/V，遲滯小于10%。

工作二：理論計算結(jié)合原子尺度表征揭示多元素摻雜無鉛壓電陶瓷性能增強物理機制，提出壓電性能與溫度穩(wěn)定性協(xié)同優(yōu)化策略

研究背景：壓電陶瓷具備機電耦合特性，在傳感、驅(qū)動及能量采集等領(lǐng)域具備廣泛的應用。無鉛壓電陶瓷體系中，KNN通過多元素摻雜構(gòu)建多晶型相界（PPB）調(diào)控，已經(jīng)獲得了可與商業(yè)鉛基壓電陶瓷媲美的壓電性能，具備巨大的潛力。然而，在KNN陶瓷的理論框架和實際性能上，仍然存在兩個挑戰(zhàn)。首先，理論框架上多元素摻雜被理解為平均相結(jié)構(gòu)的變化，各摻雜元素自身性質(zhì)對結(jié)構(gòu)的影響通常被忽略，導致具備相近PPB結(jié)構(gòu)的KNN陶瓷展現(xiàn)出截然不同的性能。第二，KNN基壓電陶瓷中利用多元素摻雜實現(xiàn)的PPB對溫度敏感性較強，壓電性能(d₃₃)隨著溫度偏離室溫而迅速惡化，顯著限制其實際應用。

成果介紹：該研究首先從理論上證明了隱藏在平均PPB結(jié)構(gòu)中兩種不同的原子尺度的局域鐵電畸變(LFD)。此外，還闡明了這些LFD如何與PPB相互作用，提出了原子尺度的物理圖像。基于這種原子尺度的物理理解，進一步構(gòu)建解決無鉛壓電陶瓷實際性能挑戰(zhàn)的策略。該策略通過調(diào)控摻雜位點的LFD，平坦極化翻轉(zhuǎn)勢壘的同時構(gòu)建彌散性的相轉(zhuǎn)變。該方法實現(xiàn)了優(yōu)異的~430pC/N的d₃₃，并在室溫到100℃范圍實現(xiàn)了優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性(△d₃₃~7%)，在壓電傳感領(lǐng)域具備應用潛力。通過退火進一步優(yōu)化，溫度穩(wěn)定的范圍能進一步提高到150°C（△d₃₃~8%），同時保持~380pC/N的高d₃₃，可與經(jīng)典的溫度穩(wěn)定的鉛基壓電陶瓷相媲美。該研究為解決無鉛壓電陶瓷中高壓電系數(shù)和溫度穩(wěn)定性不足之間難以兼得的難題建立了一個框架。

DOI:10.1038/s41467-024-53020-y

圖2：協(xié)同提高d₃₃和溫度穩(wěn)定性及相應性能的策略示意圖。具體而言，該策略通過減少A位局部鐵電畸變（LFD）來實現(xiàn)（a₁）。一方面，在基體中引入大量具有減小LFD的區(qū)域以促進極化旋轉(zhuǎn)（a₂）。另一方面，將正交-四方（O-T）相峰移動到室溫以上，以構(gòu)建擴散型相變（PPT）相界（a₃）。紅色箭頭表示減少的局部能量勢壘可以補償由于破壞室溫PPT（即將O-T溫度移動到室溫以上）而導致的損失。KNN-5.5(Bi_0.5K_0.5)_1-xBa_xZrO₃（x=0, 0.27, 0.36, 0.45）的（b）與溫度相關(guān)的介電常數(shù)和（c）d₃₃。

來源：中南大學 粉末冶金研究院，原文鏈接：https://pmri.csu.edu.cn/info/1002/5887.htm