Nat. Commun.: 兼具高机电耦合系数和高相变温度的织构压电陶瓷

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压电材料是一种能够实现电-声信号转换的智能材料，广泛应用于超声、水声、电子、自控、机械等诸多领域。压电材料的机电耦合系数决定了压电换能器的带宽和能量转换效率，因此提高压电材料的机电耦合系数是提升压电换能器性能的关键。

在诸多性能优化方法中，制备有取向多晶陶瓷（即：织构陶瓷），发挥晶粒性能的各向异性，是大幅提高压电陶瓷性能的最有效途径之一。近些年，美国宾夕法尼亚州立大学、美国弗吉尼亚理工大学、哈尔滨工业大学等单位已研制了多种体系的织构压电陶瓷，例如：Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃ (PMN-PT)、Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbZrO₃-PbTiO₃(PMN-PZ-PT)等，其机电耦合系数相比于传统陶瓷材料已有大幅提升。同时，相比于单晶材料，织构陶瓷不存在成分分凝的问题，因此其性能一致性更加优异，并且可以实现大尺寸、异形、共型化制备。

然而，目前的织构压电陶瓷普遍存一个严重的问题，即：三方-四方铁电相变温度较低（<100^oC），无法满足诸多压电换能器的制作和应用要求。针对这一问题，西安交大研究团队选取具有高相变温度的PIN-PSN-PT三元体系作为研究对象，开展了该体系陶瓷的织构化研究工作，利用CuO-B₂O₃作为助熔剂，解决了PIN-PSN-PT粉体在钛酸钡模板上生长驱动力不足的问题，成功制备了具有高取向度（F₀₀₁~99%）的PIN-PSN-PT织构陶瓷，如图1所示。

图1. PIN-PSN-PT织构陶瓷的微观结构和样品照片。a, 无助熔剂PIN-PSN-PT织构陶瓷断面SEM图；b, 采用CuO-B₂O₃作助熔剂，制备的PIN-PSN-PT织构陶瓷断面SEM图；c, 厘米尺寸的PIN-PSN-PT织构陶瓷样品照片；d, 随机陶瓷和BT模板含量为3 vol.%, 5 vol.%和7 vol.%织构陶瓷的XRD图谱；e,随机陶瓷（上）和织构陶瓷（下）的<001>极图；f，随机陶瓷和织构陶瓷的晶粒取向图。

图2给出了PIN-PSN-PT织构陶瓷机电耦合性能，其机电耦合系数k₃₃为87-90%，远高于传统PZT陶瓷的性能，并且与压电单晶相当。在场致应变方面，该织构陶瓷在3 kV mm^-1的电场下应变可以达到0.38%，与商用PMN-28PT压电单晶相当，远高于目前性能最优的PZT陶瓷（应变约为~0.25%）。

图2. PIN-PSN-PT织构陶瓷的机电耦合性能。a, PIN-PSN-PT的随机陶瓷及模板体积分数分别为3 vol.%（T-3BT）、5vol.%（T-5BT）、7 vol.%（T-7BT）的织构陶瓷和居里温度相近的软性PZT-51陶瓷的k₃₃和d₃₃数据；b, 33模式振子的阻抗/相位频谱图。插图是33模式振子（4×1×1 mm³）的照片；c, R-0BT、T-3BT、T-5BT和T-7BT陶瓷的场致应变；d, T-3BT织构陶瓷和PMN-28PT单晶的场致应变。

最后，从应用角度出发，研究团队对织构陶瓷压电性能的温度稳定性进行了测试分析，如图3所示。从室温升至三方-四方相变温度T_rt，PIN-PSN-PT织构陶瓷的性能没有任何衰减。其中，T-3BT样品的机电耦合系数k₃₃在室温至160^oC的温度范围内均高达88%，表现出了优异的温度稳定性。与目前商用的压电单晶相比，该织构陶瓷具有更宽的使用温度范围。值得一提的是， PIN-PSN-PT织构陶瓷的工作温度范围可以通过改变PT含量或者BT模板的体积分数来进行调控。如图3d所示，PIN-SN-PT织构陶瓷的相变温度T_rt可提升至200^oC，同时保持机电耦合系数k₃₃大于85%。

图3. PIN-PSN-PT织构陶瓷的机电耦合性能与温度的关系。a, 模板含量为3vol.%, 5vol.%和7vol.%织构陶瓷以及非织构陶瓷的压电系数（d₃₃）与温度的关系；b, 模板含量为3vol.%, 5vol.%和7vol.%织构陶瓷以及非织构陶瓷的机电耦合系数（k₃₃）与温度的关系；c, 模板含量为3vol.%的织构陶瓷、软性PZT陶瓷以及弛豫铁电单晶的机电耦合系数k₃₃与温度的关系；d, PIN-PSN-PT织构陶瓷以及弛豫铁电单晶k₃₃与T_rt的关系。

这项研究工作获得了兼具高机电耦合系数（k₃₃：88~93%）、高相变温度（T_rt：160-200^oC）和高矫顽场（E_c：7.5kV cm^-1）的新型织构压电陶瓷。同时，由于宏观对称性与普通陶瓷一样(∞m)，织构压电陶瓷仍然具有径向振动模式，这也是相比于压电单晶材料的另一个重要优势。综上所述，PIN-PSN-PT织构压电陶瓷可望用于诸多压电换能器的设计，提升换能器的频带宽度和能量转换效率。

该研究工作于近期发表在Nature Communications期刊，题为“Textured Ferroelectric Ceramics with High Electromechanical Coupling Factors over a Broad Temperature Range”。论文第一作者为西安交大电信学部博士生杨帅，通讯作者为西安交通大学李飞教授和李景雷博士。参与本项工作的还包括西安交通大学徐卓教授、杜洪亮研究员、高翔宇博士、澳大利亚伍伦贡大学张树君教授，哈尔滨工业大学常云飞教授等。研究工作得到了国家自然科学基金、西安交通大学青年拔尖人才计划等项目的支持。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-21673-8