壓電材料新突破Science：晶粒排列整齊的鋯鈦酸鉛陶瓷

不可說 4個月前 (04-07) 1342瀏覽

 

一、【導讀】

壓電材料可以對電場作出力學響應，反之亦然，是許多機電傳感器的核心元件。鋯鈦酸鉛(PZT)陶瓷[Pb(Zr,Ti)O3]，具有同質相界(MPB)成分壓電活性的品質因數（FOM），例如壓電系數d33>200pCN?1，機電耦合系數k33>0.60，以及較高的居里溫度TC（~350°C）。并且，PZT壓電材料易于以低成本制造。因此，PZT基陶瓷作為最經典和開創性的鈣鈦礦固溶體，是眾多壓電器件的首選材料，例如用于微納制造的高精度致動器、用于醫學成像和治療的超聲換能器以及遠程物聯網設備等。鑒于現代醫學診斷和精密制造需求的不斷增長，需要具有優異性能的壓電材料。

二、【成果掠影】

為解決上述需求，西交大李飛教授，悉尼新南威爾士大學Shujun Zhang教授，哈工大常云飛教授等人發現鋯鈦酸鉛[Pb(Zr,Ti)O3或PZT]陶瓷的壓電性能可以通過織構制造使晶粒沿特定方向排列，從而得到增強。提出一種種子鈍化織構工藝，通過使用新開發的PZT微片模板來制造織構陶瓷。該工藝不僅確保了富鈦PZT層中誘導的晶粒生長，而且還通過鋯和鈦的層間擴散促進了所需成分的獲得。成功制備出具有優異性能的PZT陶瓷，通過抑制PZT粉末和鈦酸鹽之間的其他嚴重化學反應解決了制造菱面體PZT陶瓷的挑戰。

相關研究工作以“Lead zirconate titanate ceramics with aligned crystallite grains”為題刊登在《Science》上。

三、【核心創新點】

  • 擴大可用溫度范圍和機電耦合系數。
  • 優化鋯鈦酸鉛基材料的織構工藝。
  • 既改變了固溶體的組成，又使晶體取向以改善壓電性能。

四、【數據概覽】

圖 1??種子鈍化工藝的示意圖和實驗實現方法。? 2023 AAAS

圖 2??PZT 織構陶瓷的微觀結構分析。? 2023 AAAS

圖 3??PZT 織構陶瓷電場誘導應變的機電特性和原位同步加速器 XRD 分析。? 2023 AAAS

圖 4??織構 PZT 陶瓷機電性能的熱穩定性。? 2023 AAAS

五、【成果啟示】

提出種子鈍化織構工藝，成功地制造了一系列具有高機電性能和高T?C的 PZT 基織構陶瓷（這在過去幾十年中是無法實現的），解決了只能以犧牲彼此為代價來提高壓電性和居里溫度的困境。除了獲得預期的機電特性及其對鐵電固溶體的新理解外，這項工作還提供了一種通用途徑，用于制造不可避免的化學反應而難以制造的織構陶瓷。

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