引言

    壓電陶瓷能夠實現機械能和電能的相互轉化，從而被廣泛應用于傳感器、換能器和驅動器領域，具體的應用實例有聲吶、超聲手術刀和發動機共軌噴油器等。以鋯鈦酸鉛（簡稱PZT）為代表的傳統鉛基陶瓷雖然性能優異，但鉛的毒性對環境和健康提出了嚴重的挑戰。2016年，歐盟RoHS建議委員會發布了最新版的RoHS指令：2020年前后部分鉛基壓電陶瓷或將不再被豁免，從而將無鉛壓電陶瓷的產業化應用提上了日程。

    鈮酸鈉鉀基陶瓷（KNN）由于其較高的壓電系數和居里溫度而被認為是最具潛力的無鉛壓電陶瓷體系之一。在實際應用中，特別是對壓電驅動器來說，能否在獲得高壓電性能的同時保持較好的性能溫度穩定性，是決定KNN能否在眾多無鉛體系中脫穎而出，從而部分取代PZT的關鍵。

    成果簡介

    近日，清華大學材料學院李敬鋒教授和王軻副教授課題組在Journal of the American Chemical Society發表題為 “High and Temperature-Insensitive Piezoelectric Strain in Alkali Niobate Lead-free Perovskite” 的研究論文，報道了一種新的KNN組分（Na0.5K0.5）NbO3-（Bi0.5Li0.5）TiO3-BaZrO3（KNN-BLT-BZ），并通過摻雜MnO2獲得了高達470 pm/V的室溫壓電應變常數d33*，此性能與鉛基壓電陶瓷性能相當。此外，經過MnO2成分優化的KNN陶瓷與未摻雜陶瓷相比，綜合壓電性能得到大幅度提升，表現出了優異的壓電應變溫度穩定性。當測試溫度從室溫升高至100 oC時仍然能夠保持430 pm/V的壓電應變響應，在室溫到100 oC的寬溫度范圍內壓電應變性能變化率小于10 %，優于鉛基壓電陶瓷及同類代表性KNN基無鉛壓電陶瓷。

    研究人員利用多種表征手段對材料進行了全面分析。宏觀上，熱激勵退極化電流（TSDC）測試結果表明摻雜KNN陶瓷具有更高的剩余極化強度，其鐵電性在MnO2成分優化后得到明顯提升；此外，MnO2作為助燒劑有效降低了陶瓷的燒結溫度，促進了致密化，同時Mn的摻入可能起到補償堿金屬離子的揮發，從而降低缺陷濃度的作用。微觀上，通過利用壓電力顯微鏡（PFM）對陶瓷樣品進行局部極化測試，并對不同區域進行寫疇，發現Mn摻雜樣品中的鐵電疇具有更高的壓電活性，更容易在電場下發生翻轉，對壓電響應產生更大貢獻；極化翻轉譜測試的結果也表明摻雜陶瓷具有更高的微觀壓電應變，同時相位-電壓曲線呈現更好的矩形度。

    圖文導讀

    圖1 KNN-BLT-BZ-xMn陶瓷的相結構和性能表征

    （a）不同Mn摻雜量陶瓷的室溫XRD

    （b）不同Mn摻雜量陶瓷的介溫譜，材料在室溫附近存在彌散的兩相共存區域

    （c）Mn摻雜量x=1.5陶瓷的變溫單向場致應變曲線

    （d）不同Mn摻雜量陶瓷的變溫壓電應變常數（d33*）

    圖2 KNN-BLT-BZ-xMn陶瓷的表面形貌

    （a-b）未摻雜Mn陶瓷的掃描電鏡（SEM）和壓電力顯微鏡（PFM）照片

    （c-d）Mn摻雜量x=1.0陶瓷的掃描電鏡（SEM）和壓電力顯微鏡（PFM）照片

    圖3 KNN-BLT-BZ-xMn（x=1.5）陶瓷的變溫壓電應變性能

    Mn摻雜量x=1.5陶瓷與代表性鉛基、KNN基無鉛壓電陶瓷變溫壓電應變性能對比

    圖4 KNN-BLT-BZ-xMn（x=1.5）陶瓷的阻抗特性和TSDC測試

    （a）未摻雜Mn陶瓷的室溫阻抗譜

    （b）Mn摻雜量x=1.5陶瓷的阻抗譜

    （c）Mn摻雜量x=0.0和x=1.5陶瓷的熱刺激退極化電流（TSDC）測試

    （d）Mn摻雜量x=0.0和x=1.5陶瓷的剩余極化強度對比

    圖5 KNN-BLT-BZ-xMn（x=1.5）陶瓷的PFM測試

    （a-b）未摻雜Mn陶瓷的局部極化測試

    （c）未摻雜Mn陶瓷的極化翻轉譜測試

    （d-e）Mn摻雜量x=1.5陶瓷的局部極化測試

    （f）Mn摻雜量x=1.5陶瓷的極化翻轉譜測試

    小結與展望

    該文章中，研究人員利用MnO2對KNN-BLT-BZ無鉛壓電陶瓷進行組分優化，獲得了壓電應變常數為470 pm/V且具有優異溫度穩定性的KNN基無鉛壓電陶瓷。結合多種表征方法，將無鉛陶瓷的宏觀壓電響應與微觀鐵電疇進行關聯，為進一步提高無鉛陶瓷的壓電性能指明了方向，也為無鉛壓電陶瓷進一步的產業化應用注入了希望。

    該文的第一作者為清華大學材料學院碩士研究生張茂華同學，通訊作者為清華大學王軻副教授。該工作得到國家自然科學基金委重點基金、清華大學自主科研基金等項目的支持。

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責任編輯：劉洋

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