研究背景

压电陶瓷可以实现机械能和电能的转换，赋予了机电设备优异的能量转换特性。准同型相界（MPB）附近的高介电常数和高压电系数使得锆钛酸铅（PZT）基压电陶瓷主导了当前压电材料与器件的国际市场。为响应环保和可持续发展的号召，开发具有竞争力的无铅压电替代材料迫在眉睫，新型环境友好型无铅压电陶瓷已然成为当前高技术新材料的研发热点。在众多著名的无铅压电陶瓷中，铌酸钾钠（KNN）基陶瓷因兼具良好的压电性能和高的居里温度而备受关注。

近二十年来，借鉴含铅PZT基陶瓷中MPB相界处高压电响应的特点，研究人员在KNN基陶瓷中成功构建了多晶型相界（PPB）并开展了大量研究工作，获得了KNN基压电陶瓷压电系数的显著改善（d₃₃ > 650 pC/N）。然而，值得注意的是，PZT基陶瓷中的MPB相界本质上是一种成分驱动的相界，几乎与温度无关，而PPB相界则表现出显著的温度依赖性。该结果导致了基于PPB相界策略所开发的高压电系数KNN基陶瓷通常表现出严重的d₃₃温度不稳定性。在实际应用中，不仅要求压电材料具备高的d₃₃，通常在-20至140 °C的温度范围内也要呈现出良好的温度稳定性。因此，如何协同优化压电系数及其温度稳定性是KNN基陶瓷实现更进一步应用的关键问题。

成果介绍

近日，我校材料学院材料强度组武海军教授与同济大学研究团队在铌酸钾钠(KNN)基压电陶瓷中创新性地构建了一种具有MPB特征的扩散型PPB相界，用于协同优化压电系数及其温度稳定性。该相界的构建是通过将(Bi_0.5K_0.5)HfO₃引入到0.97(Na_0.56K_0.44)NbO₃-0.03Bi_0.5Na_0.5ZrO₃基质中，并同时结合织构技术来实现的，其中Bi³⁺和Hf⁴⁺有助于扩散型O-T相界的初步形成，而织构技术由于诱导了畴尺寸的增长进一步改善了相界的温度稳定特性。另一方面，织构技术诱导的<00l>_C晶体取向和O-T相界的构建可以促进电偶极子的有效翻转，保证了高的压电响应。所开发的(0.97-x)(Na_0.56K_0.44)NbO₃-0.03Bi_0.5Na_0.5ZrO_3-x(Bi_0.5K_0.5)HfO₃(KNN-BNZ-xBKH)织构陶瓷不仅具有高的压电系数（d₃₃ ~ 550 ± 30 pC/N），还呈现出超高的温稳定性（在25-150 °C的温度范围内变化率小于1.2%，在25-250 °C内变化率小于10%）。该工作为解决无铅压电陶瓷中高压电系数和温度稳定性不足之间的难题提供了重要思路。

以上研究成果以“Ultrahigh thermal stability and piezoelectricity of lead-free KNN-based texture piezoceramics”（“兼具超高热稳定性和高压电性能的铌酸钾钠无铅压电织构陶瓷”）为题发表在《Nature Communications》（《自然通讯》）上。材料学院在读博士生杨宇轩为共同第一作者，材料学院武海军教授为共同通讯作者。材料学院孙军院士和丁向东教授、材料学院在读硕士生赵志昊、分测中心张杨高级工程师等为论文共同作者。该工作还得到了北京理工大学、北京科技大学、聊城大学、中科院上硅所等单位的支持。本项研究工作得到了分析测试中心在聚焦离子束和球差校正电镜微结构表征方面的鼎力支持。

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-53437-5。

此外，课题组与同济大学通力合作，选择了具有高居里温度的0.99（（K_0.5Na_0.5）（Nb_0.98Ta_0.02）O₃）-0.01（Bi（Ni_0.67Nb_0.33）O₃）作为基础体系，并利用第三组分（Bi_0.5K_0.5）HfO₃（BKH）进行化学改性。BKH是线性电介质，有利于在KNN基陶瓷中引入弛豫态并扩散相变温度。然后通过织构技术进一步改善各向异性，以保持良好的压电性能。结果表明所制备的KNN基陶瓷不仅具有高度的织构取向和高的居里温度，而且成功地扩散并降低了T_O-T相变温度，最终在室温单四方相0.96（（K_0.5Na_0.5）（Nb_0.98Ta_0.02）O₃）-0.01（Bi（Ni_0.67Nb_0.33）O₃）-0.03（Bi_0.5K_0.5）HfO₃-3%wt NaNbO₃陶瓷基质中观察到极性纳米微区（PNRs）的嵌入。这种新型的多尺度结构使得KNN基陶瓷不仅保持了高居里温度（~ 365 °C）和高压电性能（d₃₃ ~ 331 pC/N，d₃₃* ~ 561 pm/V），同时还获得了优异的温度稳定性，如在25 °C到100 °C的温度范围内，其d₃₃仅变化2.0%（~ 10.0%到200 °C），在25 °C到175 °C的温度范围内，其d₃₃*仅变化4.2%（~ 9.8%到200 °C）。

以上研究成果以“Broad Temperature Plateau for High Piezoelectric Coefficient by Embedding PNRs in Singe-Phase KNN-Based Ceramics”（“铌酸钾钠单相压电陶瓷中构筑极化纳米微区实现宽温域的高压电性能”）为题发表在《Advanced Functional Materials》（《先进功能材料》）上。在读博士生杨宇轩为共同第一作者，材料学院武海军教授为共同通讯作者。分测中心张杨高级工程师为论文共同作者。本项研究工作得到了分析测试中心在聚焦离子束和球差校正电镜微结构表征方面的鼎力支持。

文章链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202414348。