中南大學(xué)張斗教授團(tuán)隊(duì)在無(wú)鉛壓電陶瓷領(lǐng)域接連取得重要進(jìn)展

壓電陶瓷是一種能夠?qū)C(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(xué)者的關(guān)注與青睞。中南大學(xué)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《Nature Communications》發(fā)表相關(guān)工作。

工作一：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（(Bi_0.5Na_0.5)_1-x/100Sr_x/100TiO₃）陶瓷作為研究對(duì)象，基于其應(yīng)變遲滯低、穩(wěn)定性優(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。

DOI:10.1038/s41467-024-51082-6

圖1：BNST陶瓷的單極應(yīng)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(dá)1.03%，遲滯為27%；BNST-35的S_uni在10kV/mm下達(dá)0.78%，遲滯為4.4%；BNST-35的d₃₃^*在3~5kV/mm低場(chǎng)下維持在1000pm/V，遲滯小于10%。

工作二：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。基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。

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(yīng)性能的策略示意圖。具體而言，該策略通過(guò)減少A位局部鐵電畸變（LFD）來(lái)實(shí)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(jìn)極化旋轉(zhuǎn)（a₂）。另一方面，將正交-四方（O-T）相峰移動(dòng)到室溫以上，以構(gòu)建擴(kuò)散型相變（PPT）相界（a₃）。紅色箭頭表示減少的局部能量勢(shì)壘可以補(bǔ)償由于破壞室溫PPT（即將O-T溫度移動(dòng)到室溫以上）而導(dǎo)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(lái)源：中南大學(xué) 粉末冶金研究院，原文鏈接：https://pmri.csu.edu.cn/info/1002/5887.htm