近日，清華大學(xué)材料學(xué)院李敬鋒教授課題組在無(wú)鉛壓電陶瓷材料研究方面取得新進(jìn)展，在《能源與環(huán)境科學(xué)》(Energy &Environmental Science)上在線發(fā)表了題為“具有局部不均勻結(jié)構(gòu)的高性能的無(wú)鉛壓電陶瓷 (High-Performance Lead-Free Piezoelectrics with Local Structural Heterogeneity) ”的研究論文。這項(xiàng)工作不僅發(fā)現(xiàn)了一種具有高壓電性能和良好溫度穩(wěn)定性的無(wú)鉛壓電陶瓷材料，而且提出了通過(guò)調(diào)控納米結(jié)構(gòu)同時(shí)提高壓電性能及其溫度穩(wěn)定性的方案, 為發(fā)展具有實(shí)際應(yīng)用潛力的無(wú)鉛壓電陶瓷提供了新思路。

壓電材料可以實(shí)現(xiàn)電能與機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)換，在傳感器、驅(qū)動(dòng)器、能量回收等領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)鉛基壓電材料因性能優(yōu)異而占據(jù)了大部分的市場(chǎng)份額，但這些材料中含有大量對(duì)環(huán)境和人體有毒有害的重金屬鉛元素，因而無(wú)鉛壓電材料研究備受關(guān)注，高性能無(wú)鉛壓電陶瓷研發(fā)是近十多年來(lái)的重要研究方向。李敬鋒教授課題組圍繞鈮酸鉀鈉體系無(wú)鉛壓電陶瓷開(kāi)展了長(zhǎng)期的系統(tǒng)研究，逐步實(shí)現(xiàn)了接近實(shí)際應(yīng)用的技術(shù)儲(chǔ)備。但是，與鉛基壓電陶瓷相比，在該無(wú)鉛材料體系中高壓電性能與溫度穩(wěn)定性難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)，成為阻礙應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)難題之一。本次工作提出引入局部不均結(jié)構(gòu)來(lái)增強(qiáng)材料的弛豫鐵電特性而實(shí)現(xiàn)較寬的鐵電相轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間，從而在實(shí)現(xiàn)高壓電活性的同時(shí)顯著提升壓電系數(shù)溫度穩(wěn)定性。該工作所獲得的壓電應(yīng)變系數(shù)超過(guò)600 pm/V，且在20-100℃內(nèi)可維持在640 pm/V ±6 %，同時(shí)該材料的壓電應(yīng)變系數(shù)還表現(xiàn)出了頻率不敏感的特性。

論文*作者為材料學(xué)院博士生劉慶，通訊作者為材料學(xué)院張一弛博士后和李敬鋒教授，材料學(xué)院張孝文教授和李龍土院士以及北京航空航天大學(xué)材料學(xué)院王慧副教授為重要合作者。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金科學(xué)中心項(xiàng)目及重點(diǎn)項(xiàng)目、973項(xiàng)目和中國(guó)博士后基金等項(xiàng)目的支持。

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