化學與材料科學 - 西安交大婁曉傑教授課題組《Adv. Funct. Mater.》: 無鉛壓電陶瓷的高應變性能－鑽石舞台

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研究背景

壓電致動器具有精度高、響應速度快等優點，被廣泛應用於生物醫學、微電子、油氣勘探和航空航天等領域。然而這些壓電器件通常需要在很寬的溫度範圍內（室溫-高溫）工作，且要求其同時具有大電致應變和低應變滯後。目前應用最廣泛的壓電陶瓷主要是鉛基材料，但是由於鉛的毒性會對人體和環境造成較大危害，因此開發高性能無鉛壓電材料是當前亟需解決的科學問題。

基於此，西安交通大學婁曉傑課題組與合作者，結合相場模擬與成分設計，製備了(1-x)Bi0.47Na0.47Ba0.06TiO3-xK0.47Na0.47Li0.06Nb0.99Sb0.01O2.99（簡稱BNBT-KNLNS，BNBT作為基元，KNLNS鐵電相作為摻雜組元）陶瓷組分；該陶瓷在很寬的溫度區間（25-125 °C）呈現出大應變（0.32-0.51%）和低應變滯後（最低僅為~11.1%）的優異壓電性能。BNBT-KNLNS3的高性能源於高效的弛豫與鐵電的可逆轉變。該工作為壓電陶瓷材料的設計提供了新思路。

相關成果以「High-Performance Strain of Lead-Free Relaxor-Ferroelectric Piezoceramics by the Morphotropic Phase Boundary Modification」為題發表於國際材料領域期刊Advanced Functional Materials（DOI:10.1002/adfm.202202307）。第一作者為西安交通大學前沿院李堂源博士，通訊作者為西安交通大學前沿院婁曉傑教授、王棟教授和東南大學李玲龍副教授。論文第一單位是西安交通大學前沿院和金屬材料強度國家重點實驗室。該研究工作得到了國家自然科學基金和中央高校基本科研業務費等項目的資助。

圖文導讀

圖1：相場模擬指導成分的設計與實驗獲得的高應變性能。

圖2：BNBT-KNLNS陶瓷的優異應變性能。

圖3：BNBT-KNLNS陶瓷的微觀結構。

圖4：BNBT-KNLNS陶瓷的微觀結構隨溫度的變化。

圖5：原位壓電力顯微鏡揭示BNBT-KNLNS陶瓷優異應變性能的原因。

原文鏈接

https://doi.org/10.1002/adfm.202202307

課題組介紹

向上滑動閱覽

婁曉傑現為西安交通大學教授、博士生導師、前沿電子領域中心主任；2007年博士畢業於英國劍橋大學，同年入選新加坡李光耀博士後研究員；2011年入選國家首批青年人才計劃，2016年入選西安交通大學青年拔尖人才（A類）。其主要研究方向是鐵電和壓電材料與器件，迄今主持或承擔包括國家自然科學基金在內的研究課題共十餘項，在Phys Rev Lett、Adv Mater、Adv Fun Mater、Nano Lett、Phys Rev B、Appl Phys Lett、Acta Mater等學術期刊發表論文180餘篇，論文被引7000餘次，個人H因子為48。

課題組主頁：https://gr.xjtu.edu.cn/web/xlou03/home

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