一、 研究背景
開發更高效的能量轉換材料(如機電、聲電轉換)是許多尖端應用研究中長期追求的目標,如醫療診斷領域和微機電系統(MEMS)。得益于其獨特的壓電效應,壓電陶瓷被廣泛用于上述領域的換能器和能量收集器當中。近年來,基于居里溫度和壓電性因素地綜合考量下,KNN基壓電陶瓷已成為幾種著名無鉛材料中最受廣泛研究的鉛基壓電替代材料。因此,國際范圍內已經做出了大量努力來優化提高KNN基壓電陶瓷的綜合機電特性,以滿足對無鉛電子器件發展的迫切需求。
深入了解結構與性能的關系對于高性能材料的設計和研發至關重要。最初受PZT陶瓷中MPB相界的啟發,研究人員主要通過化學改性將TO-T或TR-O移動到室溫,從而構建O-T、R-O、R-T或R-O-T類型的多晶型相界,特別是R-T和R-O-T新型相界(NPB),可以有效的提高KNN基壓電陶瓷的壓電性,并將非織構隨機KNN基陶瓷的d33推至新的高度。然而,實際上,單純采用NPB相界構建也帶來了一些新的問題。一方面,想要實現更高的壓電性不可避免地需要犧牲居里溫度。另一方面,NPB相界中典型短程無序極性納米區(PNRs)的存在并不完全有利于KNN基陶瓷的壓電性以及機電耦合特性。因為,盡管PNRs有利于疇的極化翻轉,但由于高含量的短程無序PNRs及其與鐵電基體之間的能量差異,很難實現飽和的極化狀態,因此無法獲得令人滿意的機電耦合因子(kp < 0.6)。相反,織構化工程在壓電陶瓷中誘導的晶體各向異性不僅可以在不犧牲居里溫度的情況下改善d33無鉛壓電陶瓷,而且可以極大地提高其機械耦合特性,可以恰好地彌補NPB相界工程帶來的不足。
二、 成果介紹
為了彌補單純采用NPB相界策略在KNN基壓電陶瓷壓電性能的改善過程中所帶來的難以實現飽和的極化狀態問題,近日,太陽成集團tyc33455cc太陽成集團tyc33455cc武海軍課題組與同濟大學翟繼衛教授團隊通力合作,利用織構化工藝以及中熵誘導NPB相界之間的協同優化,基于模板晶體生長法(TGG)以及兩步燒結法制備了T-xBHT織構壓電陶瓷,深入探究了多尺度重構對xBHT壓電陶瓷性能的影響規律。所開發的KNN基陶瓷具有優異的綜合壓電性能(d33 ~ 680 ± 35 pC/N, kp ~ 72.5%)和良好的居里溫度(~ 260 ℃),展示出超高的能量收集性能和良好的超聲換能特性,在無鉛和鉛基壓電陶瓷中都具有很強的競爭力。綜合結構分析表明,電場誘導的高效多尺度極化配置的不可逆翻轉極大地促進了高飽和的極化。該項工作不僅展示了高性能KNN基壓電陶瓷設計的新思路,并為壓電性能和潛在的多尺度結構之間建立了密切的聯系。
相關成果以“Multiscale reconfiguration induced highly saturated poling in lead-free piezoceramics for giant energy conversion”(《多尺度重構誘導無鉛壓電陶瓷高度飽和的極化,實現了巨大的能量轉換》)為題發表在《Nature Communications》上;相關成果以“Field-Induced Multiscale Polarization Configuration Transitions of Mesentropic Lead-Free Piezoceramics Achieving Giant Energy Harvesting Performance”(《場誘導多尺度極化構型轉變調控無鉛無壓電陶瓷的亞穩相狀態,實現了巨大的能量收集性能》)為題發表在《Advanced Functional Materials》上。這兩篇工作的通訊作者是同濟大學的翟繼衛教授和太陽成集團tyc33455cc的武海軍教授。感謝太陽成集團tyc33455cc分析測試中心在球差校正電鏡表征的支持。
Nat. Commun.文章鏈接:https://doi.org/10.1038/s41467-024-46894-5
Adv. Funct. Mater. 文章鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202303965