2013年，在材料領域權威期刊Journal of the American Ceramic Society上發表的一篇綜述性文章引發了全世界的關注，並被歐盟RoHS 2.0版法規諮詢報告作為評價無鉛壓電陶瓷研究進展的依據引用，這是唯一一篇中國學者的論文作為「壓電陶瓷」部分被引用的論文。
論文的作者就是清華大學陶瓷重點實驗室研究小組負責人李敬鋒教授。2002年，他從日本東北大學回國，建立了該研究小組，將無鉛壓電陶瓷定為研究方向，持續開展相關研究。歷時16年，研究小組成功研製出了基於無鉛壓電陶瓷材料的高頻超聲換能器和單眼相機用超聲馬達等原型器件，確立了無鉛壓電陶瓷粉末流延成型技術，推動了鐵電壓電陶瓷無鉛化的進程。
中國要有話語權
鐵電壓電陶瓷材料廣泛應用於電子信息、醫療健康、人工智慧等領域，用於製作濾波器、諧振器、驅動器、傳感器、換能器等關鍵電子器件。
據李敬鋒教授介紹，目前使用的代表性壓電陶瓷材料的主要成分是鋯鈦酸鉛，其分子式為Pb(Zr,Ti)O3，簡稱PZT。這種含鉛壓電陶瓷在製備、使用、回收和廢棄的過程中都會給環境和人類帶來危害。因此，自2003年開始各國政府在電氣電子產業推出了一系列無鉛化的法律性規定。2003年歐盟頒布《關於限制在電子電器設備中使用某些有害成分的指令》（RoHS）。我國信息產業部於2006年出臺《電子信息產品生產汙染防治管理辦法》，並於2007年3月1日起生效。
在這一背景下，發達國家在政府主導和產業界扶持下，紛紛投入大量人力財力進行高性能無鉛鐵電壓電材料的研發。
目前，發達國家在無鉛壓電材料研究方面已取得許多進展，如歐盟曾組織數十個國家參加「POLECER」研究集團；日本的大學、研究機構及企業協同攻關，在鈦酸鋇（BT）、鈦酸鉍鈉（NBT）、鈮酸鉀鈉（KNN）等陶瓷的基礎研究方面獲重要進展。
在世界範圍內，隨著無鉛壓電陶瓷材料的快速發展，器件應用已逐漸興起，國際產業巨頭均已嶄露頭角。例如，日本的柯尼卡美能達和東芝公司分別於2008年和2012年開發了基於KNN基無鉛壓電陶瓷的噴墨列印噴頭。TDK公司申請了一系列基於無鉛壓電陶瓷驅動器件的專利，可應用於硬碟驅動、噴墨列印等領域。韓國的Kyungwon公司與日本的NGK公司均報導了基於KNN陶瓷的用於汽車發動機狀態監控的爆震傳感器。德國的PI、丹麥的Noliac和日本的Taiyou Yuden公司也推出了基於KNN或NBT材料的無鉛多層陶瓷驅動器。
環境友好型無鉛壓電材料將在部分領域逐漸替代鉛基壓電材料。因此，2017年8月，歐盟出臺RoHS 2.0版指令，規定2021年歐盟市場將不再豁免部分鉛基壓電產品。
李敬鋒教授常年關注研究這一領域，深知，高校、研究所是國內無鉛壓電材料的研究主體，企業在無鉛壓電材料研發方面的參與度與投入度相對較低。究其原因，是因為我國目前在無鉛壓電材料的研究更偏重於基礎研究、可實用化的無鉛壓電材料較少等。此外，我國壓電材料與器件產業的顯著特點是相關企業數量較多，但企業規模較小、研發能力及競爭力不足。
但是當前我國又是含鉛壓電產品的生產與使用大國，2021年歐盟市場將不再豁免部分鉛基壓電產品，如果不能在這之前及時把握壓電材料及器件的行業發展、升級，一旦國外主導制定了無鉛壓電材料及器件領域的國際標準，將改變目前的行業格局，並使我國處於極為被動的地位。
李敬鋒教授及其團隊深感責任重大，從成立之初他們就懷著科技報國之心，不能讓別人牽著鼻子走，中國要在這個行業裡有話語權的決心早已深深埋在他們心中。
攻克技術難關 打破技術壁壘
行業裡的人都知道，壓電性能偏低、溫度穩定性較差一直是制約無鉛壓電材料實際應用的瓶頸。
針對壓電性能偏低這一問題，李敬鋒教授團隊通過多尺度特徵功能單元的調控實現了無鉛鐵電壓電陶瓷電學性能的大幅度提升，KNN基陶瓷的室溫逆壓電常數（壓電材料的關鍵特徵參數）達到475 pm/V，可與商用鉛基壓電陶瓷相媲美，並優於國內外同類研究的相關數據；通過缺陷調控將Li摻雜KNN無鉛陶瓷的壓電常數提高至324 pC/N，該數值目前仍然是同成分材料體系中的最高水平。
針對溫度穩定性較差這一問題，李敬鋒教授團隊提出了電場調控鐵電-鐵電相變彌散程度的新思路，實現了無鉛陶瓷壓電性能及其溫度穩定性的協同調控。KNN陶瓷的場致應變在室溫至175 oC範圍內變化率小於10%，優於頂級期刊Nature上報導的KNN基無鉛壓電陶瓷、BNT基無鉛壓電陶瓷、甚至PZT含鉛陶瓷。
基於這些研究成果和關鍵科學問題，李敬鋒教授帶領著他的團隊在國際上率先開展通過多層次結構調控增強鐵電壓電性能的研究，揭示了影響無鉛鐵電壓電材料綜合性能的關鍵因素並探究了其內在物理機制，研製出具有優異鐵電壓電性能與良好溫度穩定性的無鉛陶瓷材料，並開發了基於無鉛鐵電壓電材料的原型器件，引起了國內外的廣泛關注。
項目成果實用化見成效
「我們希望通過不懈的努力奮鬥，為改變無鉛壓電材料及器件的行業現狀貢獻一份力量。」這是李敬鋒教授和他的團隊常常說的一句話。
自2002年起，團隊專注研究無鉛壓電陶瓷領域。除了解決材料本身的關鍵科學問題，團隊近年來在項目成果實用化方面也取得了很大的進展。
據李敬鋒教授介紹，團隊成員主持或參與了一系列無鉛壓電陶瓷應用研究的課題，積累了相關經驗。例如，團隊核心成員作為項目負責人主持2019年山東省發展和改革委員會新舊動能轉換重大課題攻關「高性能環保無鉛壓電陶瓷電子器件材料研發及應用」（經費總額1000萬元）。在消費電子領域，2015年團隊與韓國HanaUtech公司合作開發了基於KNN基無鉛壓電陶瓷的大尺寸環形超聲波馬達，用於單眼相機鏡頭的快速對焦。另外，團隊還實現了無鉛壓電陶瓷粉末的大批量、規模化製備，該部分工作已得到國內某上市公司的支持開展產業化應用。另外，基於本項目，成立了「產學研」發展轉化的高科技企業，項目成果技術轉化與應用推廣取得進展，填補了國內在無鉛壓電材料及其應用領域的空白。
接下來，李敬鋒教授將帶領他的團隊繼續研發有競爭力的無鉛壓電材料及器件，避免關鍵技術和重要元器件等領域出現「卡脖子」問題，進一步加快高性能無鉛壓電陶瓷及器件的研發進程，積極牽頭或參與制定無鉛壓電材料及器件領域的國際標準，並著力於無鉛壓電材料應用的推廣。
中國建材報報記者：張亞楠
責編：喻悅 塗繼華
校對：張健
監審：韓鳳鳳