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我國(guó)學(xué)者與海外合作者在鋯鈦酸鉛陶瓷研究領(lǐng)域取得進(jìn)展
發(fā)布時(shí)間：2023年4月19日
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在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（批準(zhǔn)號(hào)：51922083、52072092、52172129）等資助下，西安交通大學(xué)李飛教授團(tuán)隊(duì)在鋯鈦酸鉛陶瓷研究方面取得進(jìn)展。相關(guān)研究成果以“晶粒定向排列的鋯鈦酸鉛陶瓷（Lead zirconate titanate ceramics with aligned crystallite grains）”為題，于2023年4月7日發(fā)表在《科學(xué)》（Science）雜志上。
作為一類最經(jīng)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。PZT陶瓷的壓電性能直接決定了醫(yī)療B超探頭、精密驅(qū)動(dòng)器等壓電器件的靈敏度、分辨率等關(guān)鍵性能指標(biāo)，因此進(jìn)一步增強(qiáng)其壓電性能對(duì)于推動(dòng)相關(guān)器件與系統(tǒng)的升級(jí)換代具有重要意義。對(duì)陶瓷晶�？棙�(gòu)化（即：將晶粒沿特定晶體學(xué)方向定向排列），使其充分發(fā)揮晶粒物理性質(zhì)的各向異性，被認(rèn)為是提升PZT陶瓷壓電性能的關(guān)鍵途徑。然而，自上世紀(jì)90年代至今，人們始終無(wú)法制備出晶粒具有高度擇優(yōu)取向的PZT陶瓷，即：PZT織構(gòu)陶瓷。具體來(lái)說(shuō)，在陶瓷燒結(jié)過(guò)程中，PZT粉體會(huì)與傳統(tǒng)鈦酸鹽微晶模板(BaTiO3或SrTiO3)發(fā)生嚴(yán)重的固相反應(yīng)，導(dǎo)致微晶模板無(wú)法完成引導(dǎo)晶粒定向生長(zhǎng)的任務(wù)，這也成為了困擾PZT陶瓷織構(gòu)化工作的關(guān)鍵難題。
為此，該研究團(tuán)隊(duì)提出了通過(guò)“鈍化”模板來(lái)實(shí)現(xiàn)PZT陶瓷高質(zhì)量織構(gòu)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(shè)計(jì)了Zr4+含量非均勻分布的PZT母體多層結(jié)構(gòu)來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的均勻結(jié)構(gòu)，使籽晶模板首先在Zr4+含量較低的PZT母體中完成誘導(dǎo)晶粒定向生長(zhǎng)的任務(wù)，在之后的晶粒生長(zhǎng)和陶瓷致密化過(guò)程中，再通過(guò)Zr4+和Ti4+離子擴(kuò)散獲得組分均勻的PZT織構(gòu)陶瓷。
基于上述方法，該研究團(tuán)隊(duì)解決了幾十年來(lái)PZT陶瓷無(wú)法被高質(zhì)量織構(gòu)化的學(xué)術(shù)難題，首次制備出了晶粒沿<001>晶向高度擇優(yōu)取向的PZT織構(gòu)陶瓷（圖1a&b），在準(zhǔn)同型相界附近獲得了優(yōu)異的壓電、機(jī)電耦合性能（壓電系數(shù)d33~700 pC/N、g33~90 mV·m/N、機(jī)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(yīng)與居里溫度的制約關(guān)系（圖1c）。
該研究為諸多先進(jìn)陶瓷的織構(gòu)化工作提供了一種新的思路。研制出的高性能PZT織構(gòu)陶瓷不但為高靈敏度傳感器、換能器的性能提升帶來(lái)了新的契機(jī)，也為研究PZT這類經(jīng)典鐵電體結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系提供了重要的基礎(chǔ)材料。
日期 2023-04-18 來(lái)源：工程與材料科學(xué)部 國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)