研發實用性高性能無鉛壓電陶瓷材料的新進展

2020-12-28 科學網

壓電材料可以實現電能與機械能的相互轉換，在傳感器、驅動器、能量回收等領域具有非常廣泛的應用。傳統鉛基壓電材料因性能優異而佔據了大部分的市場份額，但這些材料中含有大量對環境和人體有毒有害的重金屬鉛元素，因而無鉛壓電材料研究備受關注，高性能無鉛壓電陶瓷研發是近十多年來的重要研究方向。雖然近十多年來無鉛壓電陶瓷研究取得顯著進展，但是如何進一步在提高其壓電性能的同時改善其性能溫度穩定性一直是阻礙無鉛壓電陶瓷實用化的難題。清華大學李敬鋒課題組長期研究具有居裡溫度高和環境兼容性強的鈮酸鉀鈉（簡稱KNN）基無鉛壓電陶瓷，本研究工作發現同時提升KNN基無鉛壓電陶瓷的壓電性能及其溫度穩定性的策略及其機理，將為推進無鉛壓電陶瓷的應用起到重要作用。

研究通過利用最常見的摻雜劑Li元素和Sb元素的不同摻雜量組合獲得了具有類似的相變溫度點但結構參數卻存在差異的KNN基陶瓷，其室溫正壓電係數d33可達500pC/N，高於一般常用含鉛陶瓷的壓電性能，且具有較高局裡溫度（200°C）。高分辨透射電鏡分析發現在該KNN基陶瓷中存在著納米尺度的多層次疇結構，理論分析表明多層次疇結構可起到降低極化的各向異性的作用，從而有益於壓電性能提升。通過對不同組成陶瓷樣品的相結構、電學性能和溫度穩定性的對比研究，揭示了晶格軟化和晶胞畸變降低造成的結構柔化可在整個溫度範圍內提升壓電響應，在KNN基陶瓷中出現的高壓電響應往往是多晶型相變和晶格軟化及晶胞畸變程度降低造成的結構柔化的綜合作用。

該研究以「Practical High-Performance Lead-Free Piezoelectrics : Structural Flexibility Beyond Utilizing Multiphase Coexistence」為題發表於National Science Review。論文第一作者為清華大學材料學院博士生劉慶（現在電子科技大學任教），材料學院李敬鋒教授和該組博士後張一弛為通訊作者。（來源：科學網）

相關論文信息：https://doi.org/10.1093/nsr/nwz167

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