中南大學粉末冶金國家重點實驗室成果介紹第1期

壓電陶瓷是一種能夠?qū)�機械能和電能相互轉(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)機械、醫(yī)療、汽車等眾多領(lǐng)域。新型環(huán)境友好型無鉛壓電陶瓷已成為領(lǐng)域發(fā)展的必然趨勢，亦成為當前高技術(shù)新材料的研發(fā)熱點。在無鉛壓電陶瓷體系中，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者的關(guān)注與青睞。實驗室張斗教授團隊近期針對KNN和BNT基無鉛壓電陶瓷體系中長期存在的關(guān)鍵科學問題開展實驗與理論研究，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)動器應(yīng)用的低遲滯大應(yīng)變無鉛壓電材料

研究背景：壓電驅(qū)動器具有響應(yīng)速度快、分辨率高、抗干擾、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便等優(yōu)點，在國防、生物醫(yī)學和光電子等諸多領(lǐng)域獲得成功應(yīng)用。壓電驅(qū)動器要求壓電陶瓷在較低的電場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。無鉛壓電陶瓷體系中，BNT基弛豫鐵電陶瓷因其可通過相結(jié)構(gòu)調(diào)控獲得高電致應(yīng)變而受到廣泛關(guān)注，但難以同時實現(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）陶瓷作為研究對象，基于其應(yīng)變遲滯低、穩(wěn)定性優(yōu)異的本征優(yōu)勢，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)動電場瓶頸。陶瓷晶粒中的鐵電“核”可以促進場致弛豫-鐵電轉(zhuǎn)變；陶瓷內(nèi)部的缺陷偶極子引起偏置電場，誘導產(chǎn)生不對稱雙極應(yīng)變曲線和高單極應(yīng)變。x=30時，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，陶瓷在3~5kV/mm的低電場下大信號壓電應(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大應(yīng)變的結(jié)構(gòu)起源。

論文*單位是中南大學粉末冶金國家重點實驗室，*作者為中南大學周學凡副研究員，通訊作者為中南大學張斗教授、宋淼教授以及北京科技大學冶金與生態(tài)工程學院祁核副教授。該工作還得到了北京理工大學材料學院黃厚兵教授和唐詩雨博士的大力支持。

DOI:10.1038/s41467-024-51082-6

02、理論計算結(jié)合原子尺度表征揭示多元素摻雜無鉛壓電陶瓷性能增強物理機制，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：壓電陶瓷具備機電耦合特性，在傳感、驅(qū)動及能量采集等領(lǐng)域具備廣泛的應(yīng)用。無鉛壓電陶瓷體系中，KNN通過多元素摻雜構(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際性能上，仍然存在兩個挑戰(zhàn)。首先，理論框架上多元素摻雜被理解為平均相結(jié)構(gòu)的變化，各摻雜元素自身性質(zhì)對結(jié)構(gòu)的影響通常被忽略，導致具備相近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摻雜實現(xiàn)的PPB對溫度敏感性較強，壓電性能(d33)隨著溫度偏離室溫而迅速惡化，顯著限制其實際應(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，進一步構(gòu)建解決無鉛壓電陶瓷實際性能挑戰(zhàn)的策略。該策略通過調(diào)控摻雜位點的LFD，平坦極化翻轉(zhuǎn)勢壘的同時構(gòu)建彌散性的相轉(zhuǎn)變。該方法實現(xiàn)了優(yōu)異的~430pC/N的d33，并在室溫到100℃范圍實現(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。通過退火進一步優(yōu)化，溫度穩(wěn)定的范圍能進一步提高到150°C（△d33~8%），同時保持~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框架。

中南大學粉末冶金國家重點實驗室是*單位，中南大學張斗教授、澳大利亞伍倫貢大學張樹君教授為論文共同通訊作者，張斗教授團隊成員2021級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、周學凡副教授的大力支持。

DOI:10.1038/s41467-024-53020-y

03、團隊簡介

張斗教授領(lǐng)銜組建了“電子功能材料與器件”團隊，開發(fā)壓電傳感與驅(qū)動、薄膜電容與陶瓷電容、鐵電存儲等關(guān)鍵技術(shù)。團隊成員目前包括中南大學張妍教授、羅行研究員、袁晰副教授和周學凡副研究員等。團隊主持國家重點研發(fā)計劃項目、課題、子課題及任務(wù)5項，國家自然科學基金區(qū)域聯(lián)合基金重點項目、工信部2021年產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)新協(xié)同專項、湖南創(chuàng)新型省份建設(shè)專項等國家和省部級項目60余項。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)專利65項，其中高性能電容專用聚丙烯樹脂國產(chǎn)化技術(shù)實現(xiàn)轉(zhuǎn)化�！爸悄軌弘娎w維復合材料制備關(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。