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壓電陶瓷能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械能和電能的相互轉(zhuǎn)化，從而被廣泛應(yīng)用于傳感器、換能器和驅(qū)動(dòng)器領(lǐng)域，具體的應(yīng)用實(shí)例有聲吶、超聲手術(shù)刀和發(fā)動(dòng)機(jī)共軌噴油器等。以鋯鈦酸鉛（簡(jiǎn)稱PZT）為代表的傳統(tǒng)鉛基陶瓷雖然性能優(yōu)異，但鉛的毒性對(duì)環(huán)境和健康提出了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。2016年，歐盟RoHS建議委員會(huì)發(fā)布了最新版的RoHS指令：2020年前后部分鉛基壓電陶瓷或?qū)⒉辉俦换砻?，從而將無(wú)鉛壓電陶瓷的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提上了日程。

鈮酸鈉鉀基陶瓷（KNN）由于其較高的壓電系數(shù)和居里溫度而被認(rèn)為是最具潛力的無(wú)鉛壓電陶瓷體系之一。在實(shí)際應(yīng)用中，特別是對(duì)壓電驅(qū)動(dòng)器來(lái)說(shuō)，能否在獲得高壓電性能的同時(shí)保持較好的性能溫度穩(wěn)定性，是決定KNN能否在眾多無(wú)鉛體系中脫穎而出，從而部分取代PZT的關(guān)鍵。

近日，清華大學(xué)材料學(xué)院李敬鋒教授和王軻副教授課題組在Journal of the American Chemical Society發(fā)表題為 “High and Temperature-Insensitive Piezoelectric Strain in Alkali Niobate Lead-free Perovskite” 的研究論文，報(bào)道了一種新的KNN組分(Na0.5K0.5)NbO3-(Bi0.5Li0.5)TiO3-BaZrO3（KNN-BLT-BZ），并通過(guò)摻雜MnO2獲得了高達(dá)470 pm/V的室溫壓電應(yīng)變常數(shù)d33*，此性能與鉛基壓電陶瓷性能相當(dāng)。此外，經(jīng)過(guò)MnO2成分優(yōu)化的KNN陶瓷與未摻雜陶瓷相比，綜合壓電性能得到大幅度提升，表現(xiàn)出了優(yōu)異的壓電應(yīng)變溫度穩(wěn)定性。當(dāng)測(cè)試溫度從室溫升高至100 oC時(shí)仍然能夠保持430 pm/V的壓電應(yīng)變響應(yīng)，在室溫到100 oC的寬溫度范圍內(nèi)壓電應(yīng)變性能變化率小于10 %，優(yōu)于鉛基壓電陶瓷及同類代表性KNN基無(wú)鉛壓電陶瓷。

研究人員利用多種表征手段對(duì)材料進(jìn)行了全面分析。宏觀上，熱激勵(lì)退極化電流（TSDC）測(cè)試結(jié)果表明摻雜KNN陶瓷具有更高的剩余極化強(qiáng)度，其鐵電性在MnO2成分優(yōu)化后得到明顯提升；此外，MnO2作為助燒劑有效降低了陶瓷的燒結(jié)溫度，促進(jìn)了致密化，同時(shí)Mn的摻入可能起到補(bǔ)償堿金屬離子的揮發(fā)，從而降低缺陷濃度的作用。微觀上，通過(guò)利用壓電力顯微鏡（PFM）對(duì)陶瓷樣品進(jìn)行局部極化測(cè)試，并對(duì)不同區(qū)域進(jìn)行寫(xiě)疇，發(fā)現(xiàn)Mn摻雜樣品中的鐵電疇具有更高的壓電活性，更容易在電場(chǎng)下發(fā)生翻轉(zhuǎn)，對(duì)壓電響應(yīng)產(chǎn)生更大貢獻(xiàn)；極化翻轉(zhuǎn)譜測(cè)試的結(jié)果也表明摻雜陶瓷具有更高的微觀壓電應(yīng)變，同時(shí)相位-電壓曲線呈現(xiàn)更好的矩形度。

圖1 KNN-BLT-BZ-xMn陶瓷的相結(jié)構(gòu)和性能表征

（a）不同Mn摻雜量陶瓷的室溫XRD

（b）不同Mn摻雜量陶瓷的介溫譜，材料在室溫附近存在彌散的兩相共存區(qū)域

（c）Mn摻雜量x=1.5陶瓷的變溫單向場(chǎng)致應(yīng)變曲線

（d）不同Mn摻雜量陶瓷的變溫壓電應(yīng)變常數(shù)（d33*）

圖2 KNN-BLT-BZ-xMn陶瓷的表面形貌

（a-b）未摻雜Mn陶瓷的掃描電鏡（SEM）和壓電力顯微鏡（PFM）照片

（c-d）Mn摻雜量x=1.0陶瓷的掃描電鏡（SEM）和壓電力顯微鏡（PFM）照片

圖3 KNN-BLT-BZ-xMn（x=1.5）陶瓷的變溫壓電應(yīng)變性能

Mn摻雜量x=1.5陶瓷與代表性鉛基、KNN基無(wú)鉛壓電陶瓷變溫壓電應(yīng)變性能對(duì)比

圖4 KNN-BLT-BZ-xMn（x=1.5）陶瓷的阻抗特性和TSDC測(cè)試

（a）未摻雜Mn陶瓷的室溫阻抗譜

（b）Mn摻雜量x=1.5陶瓷的阻抗譜

（c）Mn摻雜量x=0.0和x=1.5陶瓷的熱刺激退極化電流（TSDC）測(cè)試

（d）Mn摻雜量x=0.0和x=1.5陶瓷的剩余極化強(qiáng)度對(duì)比

圖5 KNN-BLT-BZ-xMn（x=1.5）陶瓷的PFM測(cè)試

（a-b）未摻雜Mn陶瓷的局部極化測(cè)試

（c）未摻雜Mn陶瓷的極化翻轉(zhuǎn)譜測(cè)試

（d-e）Mn摻雜量x=1.5陶瓷的局部極化測(cè)試

（f）Mn摻雜量x=1.5陶瓷的極化翻轉(zhuǎn)譜測(cè)試

該文章中，研究人員利用MnO2對(duì)KNN-BLT-BZ無(wú)鉛壓電陶瓷進(jìn)行組分優(yōu)化，獲得了壓電應(yīng)變常數(shù)為470 pm/V且具有優(yōu)異溫度穩(wěn)定性的KNN基無(wú)鉛壓電陶瓷。結(jié)合多種表征方法，將無(wú)鉛陶瓷的宏觀壓電響應(yīng)與微觀鐵電疇進(jìn)行關(guān)聯(lián)，為進(jìn)一步提高無(wú)鉛陶瓷的壓電性能指明了方向，也為無(wú)鉛壓電陶瓷進(jìn)一步的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用注入了希望。

該文的第一作者為清華大學(xué)材料學(xué)院碩士研究生張茂華同學(xué)，通訊作者為清華大學(xué)王軻副教授。該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委重點(diǎn)基金、清華大學(xué)自主科研基金等項(xiàng)目的支持。