西安交大最新Science！破解国际学术难题！

来源｜西安交通大学

4月7日，《科学》期刊在线发表了西安交通大学在高性能织构压电陶瓷方面的最新研究成果—《晶粒定向排列的锆钛酸铅陶瓷》（Lead zirconate titanate ceramics with aligned crystallite grains）。

压电材料是一种能够实现机械能与电能相互转换的功能材料，广泛应用于医学超声诊断、精密驱动控制、深海通讯、无损检测等诸多重要领域。作为一类最经典的铁电固溶体，锆钛酸铅[Pb(Zr, Ti)O₃,PZT]陶瓷以优异的压电性能和较宽的温度使用范围成为了众多压电器件的核心材料。由于PZT陶瓷的性能直接影响了压电器件的使用效能，因此增强PZT陶瓷的压电性能对于推动相关器件与系统的升级换代具有重要意义。

通过对陶瓷晶粒的织构化（即：将晶粒沿特定晶体学方向定向排列），充分发挥晶粒物理性质的各向异性，被认为是进一步提升PZT陶瓷压电性能的关键途径。然而，自上世纪90年代至今，人们始终无法制备出晶粒具有高度择优取向的PZT陶瓷，即：PZT织构陶瓷。具体来说，在陶瓷烧结过程中，PZT粉体会与传统钛酸盐微晶模板(BaTiO₃或SrTiO₃)发生严重的固相反应，导致微晶模板无法完成引导晶粒定向生长的任务，这也成为了困扰PZT陶瓷织构化工作的关键难题。

针对上述问题，西安交通大学电信学部电子学院李飞、徐卓教授团队与哈尔滨工业大学、澳大利亚新南威尔士大学、伍伦贡大学等单位合作，提出了通过“钝化”模板来实现PZT陶瓷高质量织构化的研究思路。

一方面，研制出了一种新型锆钛酸钡[Ba(Zr, Ti)O₃, BZT]模板，代替传统钛酸盐模板，提高了模板在PZT母体中的稳定性；另一方面，设计了Zr⁴⁺含量非均匀分布的PZT母体多层结构来代替传统的均匀结构，使籽晶模板首先在Zr⁴⁺含量较低的PZT母体中完成诱导晶粒定向生长的任务，在之后的晶粒生长和陶瓷致密化过程中，再通过Zr⁴⁺和Ti⁴⁺离子扩散获得组分均匀的PZT织构陶瓷。

基于上述方法，研究团队解决了几十年来PZT陶瓷无法被高质量织构化的学术难题，首次制备出了晶粒沿<001>高度择优取向的PZT织构陶瓷（图1a&b），在准同型相界附近获得了优异的压电、机电耦合性能（压电系数d₃₃~700 pC/N、g₃₃~90 mV·m/N、机电耦合系数k₃₃~0.85），以及良好的温度稳定性（居里温度~360^oC），突破了现有PZT陶瓷压电效应与居里温度的制约关系（图1c）。本项研究为诸多先进陶瓷的织构化工作提供了一种新的思路。研制出的高性能PZT织构陶瓷不但为高灵敏度传感器、换能器的性能提升带来了新的契机，同时也为研究PZT这类经典铁电体结构与性能关系提供了重要的基础材料。

图1.a,PZT织构陶瓷的截面扫描电镜图；b,PZT织构陶瓷同步辐射XRD{002}极图；c, PZT基织构陶瓷和传统PZT基陶瓷的压电系数d₃₃与居里温度的关系；d, PZT基织构陶瓷和传统PZT基陶瓷的机电耦合系数k₃₃与居里温度的关系；e, PZT陶瓷织构、<001>晶向PMN–27PT单晶以及商用PZT-5陶瓷的电致应变对比图。

西安交通大学为该论文的第一单位，西安交通大学电信学部电子科学与工程学院李景雷特聘研究员和李飞教授分别为论文的第一作者和通讯作者。哈尔滨工业大学常云飞教授和澳大利亚伍伦贡大学张树君教授为论文共同通讯作者。西安交通大学孙军院士、徐卓教授、丁向东教授、武海军教授、以及新南威尔士大学John Daniels副教授等为论文共同作者。本项研究工作得到了西安交通大学分析测试中心的大力支持，张杨高级工程师负责论文中的球差校正电镜实验和晶胞参数定量分析工作，任子君老师协助完成了陶瓷晶粒取向分析工作。

研究工作是在国家自然科学基金、国家重点研发计划、西安交通大学青年拔尖人才计划等项目的资助下完成的，同时得到了金属材料强度国家重点实验室和电子陶瓷与器件教育部重点实验室的大力支持。

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