壓電材料是一類能夠直接實現(xiàn)機械能和電能有效轉(zhuǎn)換的功能電子材料，廣泛應用于機械制造、電子通訊、軍事等領(lǐng)域，在力、熱、光、電、磁等功能轉(zhuǎn)換器件中具有無法替代的作用。壓電材料按照材料形態(tài)可分為壓電單晶、壓電陶瓷、壓電高分子以及壓電復合材料等幾大類，其中壓電單晶材料特別是弛豫型鈦酸鉛基壓電單晶因其單疇特性，壓電常數(shù)d33高達2000~3000pC/N，壓電性能最為優(yōu)異，而壓電陶瓷材料具有豐富的組分可調(diào)性，同時制備工藝簡單，成本低，一直占據(jù)著壓電材料的大部分市場份額。那么，有沒有可能存在一種壓電陶瓷材料，在壓電性能上媲美壓電單晶呢？近日，北京大學工學院董蜀湘教授團隊及其合作者，通過材料組分調(diào)控，制備了一種三元鈣鈦礦結(jié)構(gòu)高溫壓電陶瓷材料，200oC時的壓電性能可媲美傳統(tǒng)的弛豫壓電單晶材料。相關(guān)論文以“Giant Piezoelectricity of Ternary Perovskite Ceramics at High Temperature”為題發(fā)表在國際學術(shù)期刊《先進功能材料》（Advanced Functional Materials, IF=13）上（Adv. Funct. Mater. 2019,1807920），文章第一作者是趙天龍博士（北京大學和山東大學聯(lián)合培養(yǎng)博士生，現(xiàn)為西安電子科技大學講師），北京大學董蜀湘教授是該文通訊作者，加拿大西蒙弗雷澤大學葉作光教授為共同通訊作者；合作者還包括山東大學王春明教授課題組、新加坡國立大學曾開陽教授課題組。

    近年來，隨著汽車制造、能源勘探和航空航天等領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，壓電材料的應用環(huán)境受到了嚴峻的考驗，如汽車內(nèi)燃機的電噴裝置，要求壓電材料在200 oC甚至300 oC以上的高溫環(huán)境下穩(wěn)定工作，石油勘探過程中，深井探測油壓等參數(shù)的壓力傳感器也對壓電材料提出了新的挑戰(zhàn)，航空航天領(lǐng)域的發(fā)動機振動情況檢測更是要求壓電材料在更高的溫度下工作，高溫壓電材料及其器件應用的研究得到了前所未有的關(guān)注和重視。目前性能最為優(yōu)異的壓電材料是弛豫壓電單晶材料，由于其成分和結(jié)構(gòu)的原因，居里溫度只有120 oC~180 oC左右，而塊體壓電材料因其熱老化作用，正常使用的溫度范圍被限制在居里溫度的一半以下，弛豫壓電單晶材料無法在200 oC以上的溫度環(huán)境下穩(wěn)定工作，而傳統(tǒng)的壓電陶瓷材料性能不足以媲美壓電單晶材料，成為該領(lǐng)域的一個瓶頸問題。

    董蜀湘教授團隊長期致力于高溫壓電陶瓷材料及其器件應用的研究領(lǐng)域，本次的研究成果實現(xiàn)了傳統(tǒng)的壓電陶瓷材料性能的突破，高溫壓電性能媲美壓電單晶材料。他們在鈧酸鉍-鈦酸鉛BiScO3-PbTiO3（BS-PT）高溫壓電陶瓷基礎(chǔ)上，通過組分調(diào)控，引入鈮錫酸鉛Pb（Sn1/3Nb2/3）O3（PSN）第三組元，形成鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的三元系高溫壓電陶瓷固溶體，在準同型相界組分附近獲得了最優(yōu)壓電性能，室溫壓電常數(shù)d33為555 pC/N，機電耦合系數(shù)達到58.9%。隨著溫度的升高，在200oC時其逆壓電常數(shù)d*33達到2500 pm/V，與傳統(tǒng)的弛豫壓電單晶相當，同時其居里溫度高達408oC，完全滿足200 oC以上的高溫壓電應用需求，是高溫壓電應用的理想材料。

鈮錫酸鉛-鈧酸鉍-鈦酸鉛（PSN-BS-PT）壓電陶瓷相結(jié)構(gòu)與高溫電性能

    此外，團隊針對該材料體系，利用GLD唯象理論，根據(jù)材料的相結(jié)構(gòu)變化，結(jié)合壓電材料自發(fā)極化的翻轉(zhuǎn)與伸縮變化對壓電性能的貢獻，建立了相關(guān)理論模型，合理解釋了該材料體系高溫下的高壓電活性起源。

鈮錫酸鉛-鈧酸鉍-鈦酸鉛（PSN-BS-PT）壓電陶瓷自發(fā)極化理論模型與高溫電疇結(jié)構(gòu)

    這項工作為高溫壓電應用領(lǐng)域提供了一種性能上可媲美弛豫壓電單晶的壓電陶瓷材料，在制備工藝及材料成本方面具有顯著的優(yōu)勢，為擴展高溫壓電材料的應用提供了一種簡單且低成本的方法，在汽車制造、深井探測、航空航天等領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。同時該工作建立的理論模型對理解BS-PT基高溫壓電陶瓷的高壓電活性起源提供了一定的理論指導。

    該工作獲得國家自然科學基金、北京市科技計劃和加拿大科學基金委的支持。

    論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201807920

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責任編輯：王元

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