协同设计实现压电陶瓷超高压电性与温度稳定性：突破性能瓶颈的关键进展

在压电陶瓷领域，压电性与温度稳定性的权衡关系阻碍其发展。研究人员开展 “通过协同设计提升压电陶瓷压电性和温度稳定性” 的研究，在 Pb0.92Ba0.08[Zr0.50+xTi0.48-x(Nb0.5Sb0.5)0.02]O3陶瓷中取得显著成果，为该领域发展提供新思路。

　　在科技飞速发展的当下，压电陶瓷作为一类极为重要的功能材料，广泛应用于超精密执行器、传感器和换能器等诸多关键技术领域。其中，以锆钛酸铅（Pb (Zr,Ti) O₃，PZT）为代表的压电陶瓷更是备受瞩目。然而，随着技术的不断进步，对压电陶瓷的性能要求也愈发严苛。在实际应用中，传感器和执行器等压电设备需要压电陶瓷同时具备优异的压电性能和良好的温度稳定性，以此确保在其工作温度范围内的灵敏度，提供可靠且稳定的传感输出。但令人困扰的是，压电性与温度稳定性之间存在着难以调和的权衡关系，这一问题长期以来一直是压电 / 铁电领域的研究难点，严重制约着压电陶瓷在更多复杂环境和高端技术场景中的应用。

为了攻克这一难题，四川大学的研究人员展开了深入研究。他们通过巧妙地将相界工程和工艺工程相结合，成功在 Pb_0.92Ba_0.08[Zr_0.50+xTi_0.48-x(Nb_0.5Sb_0.5)_0.02]O₃（x=0.4）陶瓷中实现了多项性能突破。研究成果发表在《Nature Communications》上，为压电陶瓷领域的发展带来了新的曙光。

研究人员在此次研究中，主要运用了以下几种关键技术方法：首先是材料制备技术，采用常规固相烧结法制备陶瓷样品，并通过调整 Zr/Ti 比来确定最佳成分；其次，运用多种微观结构表征技术，如 X 射线衍射仪（XRD）分析相结构、扫描电子显微镜（SEM）观察表面形貌、电子顺磁共振光谱（EPR）检测氧空位等；最后，利用多种电学性能测试技术，如使用 Berlincourt meter 测量压电系数（d₃₃）、阻抗分析仪测定介电性能等，从多个维度对样品进行全面分析。

研究结果

1. 微观结构与相结构优化：通过工艺工程，陶瓷的微观结构得到显著改善。与传统固相烧结法制备的 S_S陶瓷相比，采用 tape casting、lamination 和 hot - isostatic press 三种工艺结合制备的 S_L陶瓷，其微观结构更加均匀，孔隙率明显降低，平均晶粒尺寸和密度都有所增加。在相结构方面，所有陶瓷均为纯钙钛矿结构，但随着制备工艺的优化，PbO 的挥发得到抑制，XRD 衍射峰向低角度偏移，且 S_L陶瓷中菱方相（R 相）含量从 S_S陶瓷的 40.6% 增加到 51.4%，这对提高压电性能至关重要。
2. 介电性能提升：工艺工程对居里温度（T_C）影响不大，但对相对介电常数（ε_r）及其在 25 - 150℃范围内的温度稳定性影响显著。S_L陶瓷在室温下具有更高的 ε_r值，且在该温度区间内 ε_r变化更为平缓，其 Δε_r（用于评估 ε_r的温度稳定性）最低，这有助于实现温度稳定的 d₃₃值。
3. 电学性能增强：S_L陶瓷的剩余极化强度（P_r）比 S_S陶瓷高约 21%，内部偏置电场（E_i）非常低。综合电学性能雷达图显示，随着工艺工程的优化，整体电学性能逐渐提升，S_L陶瓷的性能明显优于 S_S陶瓷，在一定程度上缓解了 d₃₃与 T_C之间的权衡关系。此外，S_L陶瓷的电致应变性能也十分出色，其单极应变比 S_S陶瓷高 36%，优于商业 PZT 陶瓷，在执行器应用方面极具潜力。
4. 压电性能及温度稳定性突破：S_L陶瓷的压电系数 d₃₃从 S_S陶瓷的 784 pC/N 提升到 855 pC/N，压电应变 d₃₃从 620 pm/V 提升到 860 pm/V。同时，S_L陶瓷展现出超高的温度稳定性，在 25 - 175℃范围内，d₃₃变化小于 7.3%，d₃₃变化小于 4.6%，超过了其他典型压电陶瓷，如织构化 PZT 和商业 PZT - 5H 陶瓷。
5. 压电性能物理机制解析：运用 Rayleigh 定律分析发现，S_L陶瓷的高压电性能源于本征和外在贡献的显著提升。本征贡献主要归因于 R - T 相共存且 R 相含量稍高；外在贡献则与低氧空位含量（C_ov）、大晶粒尺寸、高陶瓷密度以及纳米畴的存在有关，这些因素使得畴壁运动更加容易。通过透射电子显微镜（TEM）和垂直压电响应力显微镜（V - PFM）等技术观察到，S_L陶瓷具有更小的畴尺寸、更高的畴壁密度和更易的畴切换特性，进一步证实了外在贡献的重要性。此外，原子分辨的高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF - STEM）图像显示，S_L陶瓷在纳米尺度上存在 R 和 T 相共存，这也对其优异的压电性能起到了关键作用。
6. 温度稳定性物理机制揭示：通过温度相关的 PXRD 图案和 litho - PFM 测量揭示了 S_L陶瓷高温稳定性的物理起源。在 25 - 220℃范围内，{200} 和 {222} 衍射峰保持稳定，表明 R 相在该温度范围内稳定存在，相结构稳定。litho - PFM 测量发现，即使在 150℃时，尽管畴的振幅强度有所降低，但相衬度基本保持，说明重新取向的畴相当稳定。因此，S_L陶瓷优异的温度稳定性源于其坚固的相结构和畴结构。

研究结论与讨论

本次研究通过相界工程和工艺工程的协同设计，成功打破了压电陶瓷压电性与温度稳定性之间的权衡关系，在 Pb_0.92Ba_0.08[Zr_0.50+xTi_0.48-x(Nb_0.5Sb_0.5)_0.02]O₃陶瓷中实现了压电性和温度稳定性的同时大幅提升。这一成果不仅为压电陶瓷性能优化提供了全新的策略和思路，也为其在更多高端技术领域的广泛应用奠定了坚实基础。从学术角度来看，深入揭示了压电陶瓷性能提升的物理机制，丰富了压电 / 铁电材料的理论体系；从产业角度出发，有望推动传感器、执行器等相关产业的技术升级，提高产品性能和可靠性，具有重要的科学意义和实际应用价值。