清华大学发现具有高压电性能和良好温度稳定性的无铅压电陶瓷材料

近日，清华大学材料学院李敬锋教授课题组在无铅压电陶瓷材料研究方面取得新进展，在《能源与环境科学》(Energy &Environmental Science)上在线发表了题为“具有局部不均匀结构的高性能的无铅压电陶瓷 (High-Performance Lead-Free Piezoelectrics with Local Structural Heterogeneity) ”的研究论文。这项工作不仅发现了一种具有高压电性能和良好温度稳定性的无铅压电陶瓷材料，而且提出了通过调控纳米结构同时提高压电性能及其温度稳定性的方案, 为发展具有实际应用潜力的无铅压电陶瓷提供了新思路。

压电材料可以实现电能与机械能的相互转换，在传感器、驱动器、能量回收等领域具有非常广泛的应用。传统铅基压电材料因性能优异而占据了大部分的市场份额，但这些材料中含有大量对环境和人体有毒有害的重金属铅元素，因而无铅压电材料研究备受关注，高性能无铅压电陶瓷研发是近十多年来的重要研究方向。李敬锋教授课题组围绕铌酸钾钠体系无铅压电陶瓷开展了长期的系统研究，逐步实现了接近实际应用的技术储备。但是，与铅基压电陶瓷相比，在该无铅材料体系中高压电性能与温度稳定性难以同时实现，成为阻碍应用的关键技术难题之一。本次工作提出引入局部不均结构来增强材料的弛豫铁电特性而实现较宽的铁电相转变温度区间，从而在实现高压电活性的同时显著提升压电系数温度稳定性。该工作所获得的压电应变系数超过600 pm/V，且在20-100℃内可维持在640 pm/V ±6 %，同时该材料的压电应变系数还表现出了频率不敏感的特性。

论文*作者为材料学院博士生刘庆，通讯作者为材料学院张一弛博士后和李敬锋教授，材料学院张孝文教授和李龙土院士以及北京航空航天大学材料学院王慧副教授为重要合作者。该工作得到了国家自然科学基金科学中心项目及重点项目、973项目和中国博士后基金等项目的支持。

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