清華大學發現具有高壓電性能和良好溫度穩定性的無鉛壓電陶瓷材料

近日，清華大學材料學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《能源與環境科學》(Energy &Environmental Science)上在線發表了題為“具有局部不均勻結構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。這項工作不僅發現了一種具有高壓電性能和良好溫度穩定性的無鉛壓電陶瓷材料，而且提出了通過調控納米結構同時提高壓電性能及其溫度穩定性的方案, 為發展具有實際應用潛力的無鉛壓電陶瓷提供了新思路。

壓電材料可以實現電能與機械能的相互轉換，在傳感器、驅動器、能量回收等領域具有非常廣泛的應用。傳統鉛基壓電材料因性能優異而占據了大部分的市場份額，但這些材料中含有大量對環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注，高性能無鉛壓電陶瓷研發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研究，逐步實現了接近實際應用的技術儲備。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定性難以同時實現，成為阻礙應用的關鍵技術難題之一。本次工作提出引入局部不均結構來增強材料的弛豫鐵電特性而實現較寬的鐵電相轉變溫度區間，從而在實現高壓電活性的同時顯著提升壓電系數溫度穩定性。該工作所獲得的壓電應變系數超過600 pm/V，且在20-100℃內可維持在640 pm/V ±6 %，同時該材料的壓電應變系數還表現出了頻率不敏感的特性。

論文*作者為材料學院博士生劉慶，通訊作者為材料學院張一弛博士后和李敬鋒教授，材料學院張孝文教授和李龍土院士以及北京航空航天大學材料學院王慧副教授為重要合作者。該工作得到了國家自然科學基金科學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。

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