西安交大科研人员在无铅压电陶瓷高应变性能方面取得新进展

压电致动器精度高、响应速度快，被广泛应用于生物医学、微电子、油气勘探和航空航天等领域。这些压电器件通常需要在很宽的温度范围内（室温-高温）工作，且要求其同时具有大电致应变和低应变滞后。目前应用最广泛的压电陶瓷主要是铅基材料，但是由于铅对人体和环境有危害，因此开发高性能无铅压电材料迫在眉睫。

钛酸铋钠（Bi0.5Na0.5TiO3，BNT）基压电陶瓷具有场致应变大、居里温度高的优点，因此成为最有潜力的候选材料之一。目前主要有两种方法提高BNT基材料的压电性能，一种是通过化学掺杂构筑准同型相界（MPB），降低能垒，从而促进极化反转和延伸获得大电致应变；另外就是通过破坏长程铁电有序，产生弛豫态，从而获得较低的应变滞后。尽管如此，在宽温域内同时获得高应变和低滞后的BNT基压电陶瓷鲜有报道。

对此，西安交通大学娄晓杰课题组与合作者通过弛豫-铁电相场模拟和合理成分设计，制备了0.97Bi0.47Na0.47Ba0.06TiO3-0.03K0.47Na0.47Li0.06Nb0.99Sb0.01O2.99（简称：BNBT-KNLNS3，BNBT作为基元，KNLNS铁电相作为掺杂组元）陶瓷。该陶瓷在很宽的温度区间（25-125 °C）具有大应变（0.32-0.51%）和低应变滞后（最低仅为~11.1%）的优异压电性能。BNBT-KNLNS3的高性能可归因于在电场作用下弛豫到铁电的转变，以及由四方相和菱形相组成的MPB的存在有效地降低了弛豫到铁电转变的能垒，嵌入在弛豫基体的一小部分铁电态促进了弛豫到铁电的可逆转变，同时伴随极化反转和延伸，最终使BNBT-KNLNS3陶瓷在宽的温度范围下呈现出低滞后的大应变。

以上研究成果以《通过准同型相界调控获得高应变性能的无铅压电陶瓷》（High-Performance Strain of Lead-Free Relaxor-Ferroelectric Piezoceramics by the Morphotropic Phase Boundary Modification）为题发表于国际材料领域期刊《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）。论文第一单位是西安交大前沿院和金属材料强度国家重点实验室，第一作者为李堂源博士，通讯作者为前沿院娄晓杰教授、王栋教授和东南大学李玲龙副教授。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202202307

娄晓杰教授课题组主页：https://gr.xjtu.edu.cn/web/xlou03/home