基于晶粒取向调控的(K,Na)NbO3基压电陶瓷能量收集性能突破

本研究通过模板晶粒生长（TGG）技术成功制备[001]c取向的KNLNT-x vol.% NN压电陶瓷，实现d33×g33值28.0×10?12 m2 N?1（较无取向样品提升430%），同时保持高居里温度（Tc~375°C）。该工作为开发兼具高能量转换效率与宽温域稳定性的无铅压电材料（PEHs）提供了新范式。

　　

Highlight

通过晶粒取向与结构协同调控策略，本研究在(K,Na)NbO₃（KNN）基陶瓷中实现了能量收集性能的突破性进展。采用板状NaNbO₃（NN）模板定向生长的[001]_c取向KNLNT-5 vol.% NN陶瓷，其品质因数d₃₃×g₃₃达到28.0×10^?12 m² N^?1，较未取向样品提升4.3倍，同时保持375°C的高居里温度。这种增强源于[001]_c织构最大化压电各向异性、极化旋转能力提升及介电常数（ε_r）的有效抑制。

Texture development and grain orientation features

模板与基体粉末的显著尺寸差异（图1b,c）是促进模板晶粒生长（TGG）的关键。通过扫描电镜（SEM）观察发现，950°C烧结5分钟的样品相对密度（RD）达59.1%，此时NN模板已引导晶粒沿[001]_c方向择优生长。随着烧结温度升高至1100°C，样品呈现典型的"砖墙状"织构形貌，X射线衍射（XRD）证实其Lotgering因子超过90%，表明高度取向的微观结构形成。

Conclusions

本研究提出的晶粒取向-结构协同调控策略，成功解决了KNN基陶瓷在能量收集中面临的品质因数（d×g）与工作温域难以兼得的难题。通过TGG技术制备的KNLNT-5 vol.% NN织构化陶瓷，其输出功率密度在1g加速度下达到4.5 μW/mm³，综合性能超越已报道的无铅压电材料。该工作为开发新一代高性能能量收集器（PEHs）提供了材料设计新思路。