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　　北京大學(xué)工學(xué)院董蜀湘團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)可媲美壓電單晶的高溫壓電陶瓷材料

　　壓電材料是一類能夠直接實(shí)現(xiàn)機(jī)械能和電能有效轉(zhuǎn)換的功能電子材料，廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、電子通訊、軍事等領(lǐng)域，在力、熱、光、電、磁等功能轉(zhuǎn)換器件中具有無法替代的作用。壓電材料按照材料形態(tài)可分為壓電單晶、壓電陶瓷、壓電高分子以及壓電復(fù)合材料等幾大類，其中壓電單晶材料特別是弛豫型鈦酸鉛基壓電單晶因其單疇特性，壓電常數(shù)d33高達(dá)2000~3000pC/N，壓電性能最為優(yōu)異，而壓電陶瓷材料具有豐富的組分可調(diào)性，同時(shí)制備工藝簡(jiǎn)單，成本低，一直占據(jù)著壓電材料的大部分市場(chǎng)份額。那么，有沒有可能存在一種壓電陶瓷材料，在壓電性能上媲美壓電單晶呢?近日，北京大學(xué)工學(xué)院董蜀湘教授團(tuán)隊(duì)及其合作者，通過材料組分調(diào)控，制備了一種三元鈣鈦礦結(jié)構(gòu)高溫壓電陶瓷材料，200℃時(shí)的壓電性能可媲美傳統(tǒng)的弛豫壓電單晶材料。相關(guān)論文以“Giant Piezoelectricity of Ternary Perovskite Ceramics at High Temperature”為題發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《先進(jìn)功能材料》(Advanced Functional Materials, IF=13)上(Adv. Funct. Mater. 2019, 1807920)，文章第一作者是趙天龍博士(北京大學(xué)和山東大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士生，現(xiàn)為西安電子科技大學(xué)講師)，北京大學(xué)董蜀湘教授是該文通訊作者，加拿大西蒙弗雷澤大學(xué)葉作光教授為共同通訊作者;合作者還包括山東大學(xué)王春明教授課題組、新加坡國立大學(xué)曾開陽教授課題組。---

　　近年來，隨著汽車制造、能源勘探和航空航天等領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，壓電材料的應(yīng)用環(huán)境受到了嚴(yán)峻的考驗(yàn)，如汽車內(nèi)燃機(jī)的電噴裝置，要求壓電材料在200℃甚至300℃以上的高溫環(huán)境下穩(wěn)定工作，石油勘探過程中，深井探測(cè)油壓等參數(shù)的壓力傳感器也對(duì)壓電材料提出了新的挑戰(zhàn)，航空航天領(lǐng)域的發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)情況檢測(cè)更是要求壓電材料在更高的溫度下工作，高溫壓電材料及其器件應(yīng)用的研究得到了前所未有的關(guān)注和重視。目前性能最為優(yōu)異的壓電材料是弛豫壓電單晶材料，由于其成分和結(jié)構(gòu)的原因，居里溫度只有120℃~180℃左右，而塊體壓電材料因其熱老化作用，正常使用的溫度范圍被限制在居里溫度的一半以下，弛豫壓電單晶材料無法在200 ℃以上的溫度環(huán)境下穩(wěn)定工作，而傳統(tǒng)的壓電陶瓷材料性能不足以媲美壓電單晶材料，成為該領(lǐng)域的一個(gè)瓶頸問題。

　　董蜀湘教授團(tuán)隊(duì)長期致力于高溫壓電陶瓷材料及其器件應(yīng)用的研究領(lǐng)域，本次的研究成果實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)的壓電陶瓷材料性能的突破，高溫壓電性能媲美壓電單晶材料。他們?cè)阝偹徙G-鈦酸鉛BiScO3-PbTiO3(BS-PT)高溫壓電陶瓷基礎(chǔ)上，通過組分調(diào)控，引入鈮錫酸鉛Pb(Sn1/3Nb2/3)O3(PSN)第三組元，形成鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的三元系高溫壓電陶瓷固溶體，在準(zhǔn)同型相界組分附近獲得了最優(yōu)壓電性能，室溫壓電常數(shù)d33為555 pC/N，機(jī)電耦合系數(shù)達(dá)到58.9%。隨著溫度的升高，在200oC時(shí)其逆壓電常數(shù)d*33達(dá)到2500 pm/V，與傳統(tǒng)的弛豫壓電單晶相當(dāng)，同時(shí)其居里溫度高達(dá)408℃，完全滿足200℃以上的高溫壓電應(yīng)用需求，是高溫壓電應(yīng)用的理想材料。

　　此外，團(tuán)隊(duì)針對(duì)該材料體系，利用GLD唯象理論，根據(jù)材料的相結(jié)構(gòu)變化，結(jié)合壓電材料自發(fā)極化的翻轉(zhuǎn)與伸縮變化對(duì)壓電性能的貢獻(xiàn)，建立了相關(guān)理論模型，合理解釋了該材料體系高溫下的高壓電活性起源。

　　這項(xiàng)工作為高溫壓電應(yīng)用領(lǐng)域提供了一種性能上可媲美弛豫壓電單晶的壓電陶瓷材料，在制備工藝及材料成本方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，為擴(kuò)展高溫壓電材料的應(yīng)用提供了一種簡(jiǎn)單且低成本的方法，在汽車制造、深井探測(cè)、航空航天等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。同時(shí)該工作建立的理論模型對(duì)理解BS-PT基高溫壓電陶瓷的高壓電活性起源提供了一定的理論指導(dǎo)。

　　該工作獲得國家自然科學(xué)基金、北京市科技計(jì)劃和加拿大科學(xué)基金委的支持。

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