壓電陶瓷是一種能夠?qū)�機(jī)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(dòng)器、換能器和濾波器等器件中得到了廣泛的應(yīng)用。應(yīng)用范圍覆蓋航空航天、軍事、信息電子、工業(yè)機(jī)械、醫(yī)療、汽車(chē)等眾多領(lǐng)域。新型環(huán)境友好型無(wú)鉛壓電陶瓷已成為領(lǐng)域發(fā)展的必然趨勢(shì)，亦成為當(dāng)前高技術(shù)新材料的研發(fā)熱點(diǎn)。在無(wú)鉛壓電陶瓷體系中，鈮酸鉀鈉K0.5Na0.5NbO3（KNN）和鈦酸鉍鈉Bi0.5Na0.5TiO3（BNT）體系因其優(yōu)異的壓電鐵電特性正贏得眾多學(xué)者的關(guān)注與青睞。實(shí)驗(yàn)室張斗教授團(tuán)隊(duì)近期針對(duì)KNN和BNT基無(wú)鉛壓電陶瓷體系中長(zhǎng)期存在的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題開(kāi)展實(shí)驗(yàn)與理論研究，取得系列突破，于2024年8月、10月連續(xù)在《NatureCommunications》發(fā)表相關(guān)工作。

01、高精度壓電驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用的低遲滯大應(yīng)變無(wú)鉛壓電材料

研究背景：壓電驅(qū)動(dòng)器具有響應(yīng)速度快、分辨率高、抗干擾、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)防、生物醫(yī)學(xué)和光電子等諸多領(lǐng)域獲得成功應(yīng)用。壓電驅(qū)動(dòng)器要求壓電陶瓷在較低的電場(chǎng)下具有較高的電致應(yīng)變和較小的應(yīng)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(wú)鉛壓電陶瓷體系中，BNT基弛豫鐵電陶瓷因其可通過(guò)相結(jié)構(gòu)調(diào)控獲得高電致應(yīng)變而受到廣泛關(guān)注，但難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高應(yīng)變與低遲滯以及不佳的穩(wěn)定性是尚未解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

成果介紹：以遍歷弛豫態(tài)的鈦酸鉍鈉-鈦酸鍶（(Bi0.5Na0.5)1-x/100Srx/100TiO3）陶瓷作為研究對(duì)象，基于其應(yīng)變遲滯低、穩(wěn)定性?xún)?yōu)異的本征優(yōu)勢(shì)，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(yīng)變和高驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)瓶頸。陶瓷晶粒中的鐵電“核”可以促進(jìn)場(chǎng)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(chǎng)，誘導(dǎo)產(chǎn)生不對(duì)稱(chēng)雙極應(yīng)變曲線和高單極應(yīng)變。x=30時(shí)，陶瓷表現(xiàn)出1.03%的巨大單極應(yīng)變，應(yīng)變遲滯為27%；x=35時(shí)，陶瓷在3~5kV/mm的低電場(chǎng)下大信號(hào)壓電應(yīng)變系數(shù)穩(wěn)定在1000pm/V左右，且應(yīng)變遲滯<10%。該低遲滯高應(yīng)變還表現(xiàn)出近零的殘余應(yīng)變、良好的溫度和循環(huán)穩(wěn)定性。通過(guò)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(chǎng)大應(yīng)變的結(jié)構(gòu)起源。

論文*單位是中南大學(xué)粉末冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，*作者為中南大學(xué)周學(xué)凡副研究員，通訊作者為中南大學(xué)張斗教授、宋淼教授以及北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院祁核副教授。該工作還得到了北京理工大學(xué)材料學(xué)院黃厚兵教授和唐詩(shī)雨博士的大力支持。

DOI:10.1038/s41467-024-51082-6

02、理論計(jì)算結(jié)合原子尺度表征揭示多元素?fù)诫s無(wú)鉛壓電陶瓷性能增強(qiáng)物理機(jī)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(jī)電耦合特性，在傳感、驅(qū)動(dòng)及能量采集等領(lǐng)域具備廣泛的應(yīng)用。無(wú)鉛壓電陶瓷體系中，KNN通過(guò)多元素?fù)诫s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(shí)際性能上，仍然存在兩個(gè)挑戰(zhàn)。首先，理論框架上多元素?fù)诫s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(duì)結(jié)構(gòu)的影響通常被忽略，導(dǎo)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?fù)诫s實(shí)現(xiàn)的PPB對(duì)溫度敏感性較強(qiáng)，壓電性能(d33)隨著溫度偏離室溫而迅速惡化，顯著限制其實(shí)際應(yīng)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�；�于這種原子尺度的物理理解，進(jìn)一步構(gòu)建解決無(wú)鉛壓電陶瓷實(shí)際性能挑戰(zhàn)的策略。該策略通過(guò)調(diào)控?fù)诫s位點(diǎn)的LFD，平坦極化翻轉(zhuǎn)勢(shì)壘的同時(shí)構(gòu)建彌散性的相轉(zhuǎn)變。該方法實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的~430pC/N的d33，并在室溫到100℃范圍實(shí)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(yīng)用潛力。通過(guò)退火進(jìn)一步優(yōu)化，溫度穩(wěn)定的范圍能進(jìn)一步提高到150°C（△d33~8%），同時(shí)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(wú)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(gè)框架。

中南大學(xué)粉末冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室是*單位，中南大學(xué)張斗教授、澳大利亞伍倫貢大學(xué)張樹(shù)君教授為論文共同通訊作者，張斗教授團(tuán)隊(duì)成員2021級(jí)博士生鄒金住為論文*作者。該工作還得到了粉末冶金研究院宋淼教授、周學(xué)凡副教授的大力支持。

DOI:10.1038/s41467-024-53020-y

03、團(tuán)隊(duì)簡(jiǎn)介

張斗教授領(lǐng)銜組建了“電子功能材料與器件”團(tuán)隊(duì)，開(kāi)發(fā)壓電傳感與驅(qū)動(dòng)、薄膜電容與陶瓷電容、鐵電存儲(chǔ)等關(guān)鍵技術(shù)。團(tuán)隊(duì)成員目前包括中南大學(xué)張妍教授、羅行研究員、袁晰副教授和周學(xué)凡副研究員等。團(tuán)隊(duì)主持國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、課題、子課題及任務(wù)5項(xiàng)，國(guó)家自然科學(xué)基金區(qū)域聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目、工信部2021年產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)新協(xié)同專(zhuān)項(xiàng)、湖南創(chuàng)新型省份建設(shè)專(zhuān)項(xiàng)等國(guó)家和省部級(jí)項(xiàng)目60余項(xiàng)。在NatureCommunications、ScienceAdvances、AdvancedMaterials、Joule、AngewandteChemieInternationalEdition、Energy&EnvironmentalScienc、ACSNano等高水平期刊上發(fā)表論文400多篇。獲授權(quán)專(zhuān)利65項(xiàng)，其中高性能電容專(zhuān)用聚丙烯樹(shù)脂國(guó)產(chǎn)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化�！爸悄軌弘娎w維復(fù)合材料制備關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用”獲得2020年湖南省技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)。