近日，清華大學(xué)材料學(xué)院李敬鋒教授課題組在無鉛壓電陶瓷材料研究方面取得新進展，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)的高性能的無鉛壓電陶瓷 (High-Performance Lead-Free Piezoelectrics with Local Structural Heterogeneity) ”的研究論文。這項工作不僅發(fā)現(xiàn)了一種具有高壓電性能和良好溫度穩(wěn)定性的無鉛壓電陶瓷材料，而且提出了通過調(diào)控納米結(jié)構(gòu)同時提高壓電性能及其溫度穩(wěn)定性的方案, 為發(fā)展具有實際應(yīng)用潛力的無鉛壓電陶瓷提供了新思路。

壓電材料可以實現(xiàn)電能與機械能的相互轉(zhuǎn)換，在傳感器、驅(qū)動器、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)了大部分的市場份額，但這些材料中含有大量對環(huán)境和人體有毒有害的重金屬鉛元素，因而無鉛壓電材料研究備受關(guān)注，高性能無鉛壓電陶瓷研發(fā)是近十多年來的重要研究方向。李敬鋒教授課題組圍繞鈮酸鉀鈉體系無鉛壓電陶瓷開展了長期的系統(tǒng)研究，逐步實現(xiàn)了接近實際應(yīng)用的技術(shù)儲備。但是，與鉛基壓電陶瓷相比，在該無鉛材料體系中高壓電性能與溫度穩(wěn)定性難以同時實現(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)來增強材料的弛豫鐵電特性而實現(xiàn)較寬的鐵電相轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間，從而在實現(xiàn)高壓電活性的同時顯著提升壓電系數(shù)溫度穩(wěn)定性。該工作所獲得的壓電應(yīng)變系數(shù)超過600 pm/V，且在20-100℃內(nèi)可維持在640 pm/V ±6 %，同時該材料的壓電應(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。該工作得到了國家自然科學(xué)基金科學(xué)中心項目及重點項目、973項目和中國博士后基金等項目的支持。