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4月7日，《科學》期刊在線發(fā)表了西安交通大學在高性能織構壓電陶瓷方面的最新研究成果—《晶粒定向排列的鋯鈦酸鉛陶瓷》（Lead zirconate titanate ceramics with aligned crystallite grains）。
壓電材料是一種能夠實現(xiàn)機械能與電能相互轉換的功能材料，廣泛應用于醫(yī)學超聲診斷、精密驅動控制、深海通訊、無損檢測等諸多重要領域。作為一類最經典的鐵電固溶體，鋯鈦酸鉛[Pb(Zr, Ti)O3,PZT]陶瓷以優(yōu)異的壓電性能和較寬的溫度使用范圍成為了眾多壓電器件的核心材料。由于PZT陶瓷的性能直接影響了壓電器件的使用效能，因此增強PZT陶瓷的壓電性能對于推動相關器件與系統(tǒng)的升級換代具有重要意義。
通過對陶瓷晶粒的織構化（即：將晶粒沿特定晶體學方向定向排列），充分發(fā)揮晶粒物理性質的各向異性，被認為是進一步提升PZT陶瓷壓電性能的關鍵途徑。然而，自上世紀90年代至今，人們始終無法制備出晶粒具有高度擇優(yōu)取向的PZT陶瓷，即：PZT織構陶瓷。具體來說，在陶瓷燒結過程中，PZT粉體會與傳統(tǒng)鈦酸鹽微晶模板(BaTiO3或SrTiO3)發(fā)生嚴重的固相反應，導致微晶模板無法完成引導晶粒定向生長的任務，這也成為了困擾PZT陶瓷織構化工作的關鍵難題。
針對上述問題，西安交通大學電信學部電子學院李飛、徐卓教授團隊與哈爾濱工業(yè)大學、澳大利亞新南威爾士大學、伍倫貢大學等單位合作，提出了通過“鈍化”模板來實現(xiàn)PZT陶瓷高質量織構化的研究思路。一方面，研制出了一種新型鋯鈦酸鋇[Ba(Zr, Ti)O3, BZT]模板，代替?zhèn)鹘y(tǒng)鈦酸鹽模板，提高了模板在PZT母體中的穩(wěn)定性；另一方面，設計了Zr4+含量非均勻分布的PZT母體多層結構來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的均勻結構，使籽晶模板首先在Zr4+含量較低的PZT母體中完成誘導晶粒定向生長的任務，在之后的晶粒生長和陶瓷致密化過程中，再通過Zr4+和Ti4+離子擴散獲得組分均勻的PZT織構陶瓷。
基于上述方法，研究團隊解決了幾十年來PZT陶瓷無法被高質量織構化的學術難題，首次制備出了晶粒沿<001>高度擇優(yōu)取向的PZT織構陶瓷（圖1a&b），在準同型相界附近獲得了優(yōu)異的壓電、機電耦合性能（壓電系數(shù)d33~700 pC/N、g33~90 mV·m/N、機電耦合系數(shù)k33~0.85），以及良好的溫度穩(wěn)定性（居里溫度~360oC），突破了現(xiàn)有PZT陶瓷壓電效應與居里溫度的制約關系（圖1c）。本項研究為諸多先進陶瓷的織構化工作提供了一種新的思路。研制出的高性能PZT織構陶瓷不但為高靈敏度傳感器、換能器的性能提升帶來了新的契機，同時也為研究PZT這類經典鐵電體結構與性能關系提供了重要的基礎材料。
西安交通大學為該論文的第一單位，西安交通大學電信學部電子科學與工程學院李景雷特聘研究員和李飛教授分別為論文的第一作者和通訊作者。哈爾濱工業(yè)大學常云飛教授和澳大利亞伍倫貢大學張樹君教授為論文共同通訊作者。西安交通大學孫軍院士、徐卓教授、丁向東教授、武海軍教授、以及新南威爾士大學John Daniels副教授等為論文共同作者。本項研究工作得到了西安交通大學分析測試中心的大力支持，張楊高級工程師負責論文中的球差校正電鏡實驗和晶胞參數(shù)定量分析工作，任子君老師協(xié)助完成了陶瓷晶粒取向分析工作。
研究工作是在國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、西安交通大學青年拔尖人才計劃等項目的資助下完成的，同時得到了金屬材料強度國家重點實驗室和電子陶瓷與器件教育部重點實驗室的大力支持。
論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf6161
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