近年來，借鑒含鉛PZT基陶瓷中MPB相界處高壓電響應的特點，研究人員在KNN基陶瓷中成功構建了多晶型相界（PPB），顯著改善了KNN基壓電陶瓷的壓電系數。然而基于PPB相界策略所開發的高壓電系數KNN基陶瓷通常表現出d33溫度的不穩定性。在實際應用中，不僅要求壓電材料具備高的d33，通常在-20至140℃的溫度范圍內也要呈現出良好的溫度穩定性。因此，如何協同優化壓電系數及其溫度穩定性是KNN基陶瓷實現更進一步應用的關鍵問題。

近日，同濟大學材料科學與工程學院翟繼衛教授研究團隊在KNN基壓電陶瓷中創新性地構建了一種具有MPB特征的擴散型PPB相界，用于協同優化壓電系數及其溫度穩定性。研究成果以“Ultrahigh thermal stability and piezoelectricity of lead-free KNN-based texture piezoceramics”為題發表于《自然·通訊》（Nature Communications）。

該研究結合織構技術，將（Bi0.5K0.5）HfO3引入到0.97（Na0.56K0.44）NbO3-0.03Bi0.5Na0.5ZrO3基質中，成功構建了PPB相界。其中Bi3+和Hf4+有助于擴散型O-T相界的初步形成，而織構技術進一步改善了相界的溫度穩定特性。另一方面，織構技術誘導的<00l>C晶體取向和O-T相界的構建可以促進電偶極子的有效翻轉，保證了較高的壓電響應。所開發的KNN基織構陶瓷不僅具有高的壓電系數（d33?～550±30 pC/N），還呈現出超高的溫度穩定性（在25-150℃的溫度范圍內變化率小于1.2%，在25-250℃內變化率小于10%）。

該論文第一單位是同濟大學材料科學與工程學院，學院碩士生徐禮輝為論文第一作者，沈波副教授和翟繼衛教授為論文通訊作者。該研究工作還得到了多個單位的支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-53437-5

除此之外，翟繼衛教授研究團隊還選擇了具有高居里溫度的KNN-BNN作為基礎體系，并同樣利用第三組分（Bi0.5K0.5）HfO3（BKH）進行化學改性，相關研究成果以“Broad Temperature Plateau for High Piezoelectric Coefficient by Embedding PNRs in Singe-Phase KNN-Based Ceramics”為題發表于《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）。

所制備的KNN基陶瓷不僅具有高度的織構取向和高的居里溫度，而且成功地擴散并降低了TO-T相變溫度，最終在室溫單四方相KNN基織構陶瓷基質中觀察到極性納米微區（PNRs）的嵌入。這種新型的多尺度結構使得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），同時還獲得了優異的溫度穩定性，如在25℃到100℃的溫度范圍內，其d33僅變化2.0%（～10.0%到200℃），在25℃到175℃的溫度范圍內，其d33*僅變化4.2%（～9.8%到200℃）。

論文第一單位是同濟大學材料科學與工程學院，學院碩士生華銀、博士生錢進為論文共同第一作者，翟繼衛教授為論文通訊作者。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202414348

來源：同濟大學

原文鏈接：https://news.tongji.edu.cn/info/1003/89147.htm

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