中國(guó)電子元件行業(yè)協(xié)會(huì)
China Electronic Components Association
壓電材料是一種可以將機(jī)械能和電能相互轉(zhuǎn)換的智能材料，被廣泛應(yīng)用于傳感器、致動(dòng)器、換能器等器件中，在生物醫(yī)療、衛(wèi)星廣播和航空航天等高科技領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。近年來(lái)，隨著環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展理念的深入人心，全球范圍內(nèi)對(duì)綠色經(jīng)濟(jì)、清潔能源和生態(tài)保護(hù)的關(guān)注度持續(xù)提升，無(wú)鉛壓電陶瓷材料也受到了廣泛關(guān)注。鈮酸鉀鈉基壓電陶瓷因具有較大的壓電常數(shù)（d33）和較高的居里溫度（TC），被視為最有可能取代含鉛陶瓷的體系之一。目前，鈮酸鉀鈉基壓電陶瓷的d33值已得到明顯提升（~500 pC/N），但在實(shí)際應(yīng)用中，壓電性能的溫度穩(wěn)定性與d33值同樣重要，目前仍難以有效解決高d33值和優(yōu)異溫度穩(wěn)定性之間的博弈問(wèn)題。
近期，北京工業(yè)大學(xué)侯育冬教授團(tuán)隊(duì)和北京科技大學(xué)施小明老師團(tuán)隊(duì)合作，提出了一種構(gòu)筑極性拓?fù)洚牻Y(jié)構(gòu)來(lái)改善KNN 基陶瓷壓電溫度穩(wěn)定性的有效策略。通過(guò)相場(chǎng)模擬驗(yàn)證，將具有氧八體旋轉(zhuǎn)特征的0.7BiFeO3-0.3BaTiO3（BFBT）引入到0.96(K0.48Na0.52)(Nb0.96Sb0.04)O3-0.04(Bi0.5Na0.5)ZrO3（KNN）陶瓷體系中，構(gòu)建出復(fù)合體系KNN-BFBT，一方面通過(guò)多種對(duì)稱相間朗道能、彈性能、靜電能和應(yīng)變梯度能的相互作用，導(dǎo)致了極化的非均勻分布；另一方面，體系中局部氧八面體的畸變、傾斜和位移導(dǎo)致了極化的連續(xù)翻轉(zhuǎn)，從而在介觀尺度上形成了具有高密度疇壁的極性拓?fù)洚牁?gòu)型。由于極性拓?fù)洚牁?gòu)型的拓?fù)浔Ｗo(hù)和高密度疇壁的釘扎作用，使得其能夠抵抗外界溫度的沖擊，可以在25-120 ℃的寬溫范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，從而使復(fù)合體系樣品的壓電溫度穩(wěn)定性得到明顯改善（在25-120 ℃溫度范圍內(nèi)，d33 值僅下降約10%）。使用該樣品構(gòu)建的壓電能量收集器（PEH）可以在25-120 ℃溫度范圍內(nèi)持續(xù)發(fā)電，在120 ℃下，PEH 的輸出功率密度為174 μW/cm3，輸出電流密度為9.84 μA/cm2，明顯優(yōu)于其它無(wú)鉛體系的PEHs，進(jìn)一步拓寬了KNN 基PEH 的使用溫區(qū)，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。相關(guān)成果以“Thermally stable piezoelectric properties of lead-free ceramics featuring polar topological domains”為題發(fā)表于國(guó)際知名期刊《Acta Materialia》，北京工業(yè)大學(xué)博士研究生席凱彪為論文的第一作者，北京工業(yè)大學(xué)侯育冬教授和北京科技大學(xué)施小明老師為論文的共同通訊作者。
上述工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和北京市自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。
圖1. 通過(guò)相場(chǎng)模擬驗(yàn)證將具有氧八面體旋轉(zhuǎn)特征的BFBT 引入到具有R-O-T 多相共存的KNN 基體系中，可以導(dǎo)致極化連續(xù)旋轉(zhuǎn)，形成極性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這種極性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以在25-120 ℃溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。
圖2. 通過(guò)TEM，在KNN 基體系和BFBT 基體系中觀察到長(zhǎng)條狀的疇結(jié)構(gòu)，而在KNN-BFBT 復(fù)合體系中觀察到具有高密度疇壁的極性拓?fù)洚牁?gòu)型。
圖3. 利用STEM 從原子尺度進(jìn)一步分析了極性拓?fù)洚牭男纬稍颍?. 多種對(duì)稱相中非均勻極化構(gòu)型之間的相互競(jìng)爭(zhēng)；2. 復(fù)雜的氧配位環(huán)境導(dǎo)致局部氧八面體畸變、傾斜和位移。
圖4. 通過(guò)PFM 證實(shí)極性拓?fù)洚牽梢栽?5-120 ℃溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。
圖5. 復(fù)合體系KNN-BFBT 的壓電溫度穩(wěn)定性得到明顯改善，d33值在25-120℃溫度范圍內(nèi)僅下降約10%，使用溫區(qū)得到進(jìn)一步拓寬。
圖6. 使用復(fù)合體系KNN-BFBT 構(gòu)建的PEH 可以在120℃下持續(xù)發(fā)電，具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
第一作者簡(jiǎn)介
席凱彪，北京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2021級(jí)博士研究生，導(dǎo)師為侯育冬教授，主要從事無(wú)鉛壓電能量收集材料的制備和研究，讀博期間以第一作者在Adv Funct Mater、Acta Mater、Nano-Micro Lett、Nano Energy、J Mater Chem A、ACS Appl Mater Interfaces、J Eur Ceram Soc、J Materiomics、J Mater Chem C等國(guó)際著名學(xué)術(shù)刊物發(fā)表SCI論文11篇，申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利3項(xiàng)，曾榮獲國(guó)家獎(jiǎng)學(xué)金、北京市雨燕獎(jiǎng)學(xué)金、北京工業(yè)大學(xué)博士研究生創(chuàng)新獎(jiǎng)學(xué)金等多項(xiàng)獎(jiǎng)勵(lì)。
