【会员风采】哈工大联合研究成果在《科学》发表

4月7日,中国仪器仪表学会单位会员哈尔滨工业大学仪器学院的常云飞教授课题组和西安交通大学、澳大利亚新南威尔士大学、伍伦贡大学等单位组成的研究团队,在高性能织构压电陶瓷方面取得重要突破,研究成果以《晶粒定向排列的锆钛酸铅陶瓷》(Lead zirconate titanate ceramics with aligned crystallite grains)为题发表在《科学》(Science)上。

压电材料能够实现机械能与电能的相互转换,在医学超声诊断、精密驱动控制、深海通讯、无损检测等重要领域有着广泛的需求。锆钛酸铅(PZT)陶瓷是诸多机电转换器件的核心材料,增强其压电性能对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20世纪90年代至今,人们始终无法制备出晶粒高度择优取向的织构PZT陶瓷。具体来说,在陶瓷织构前,PZT粉体会与传统钛酸盐微晶模板发生严重的固相反应,致使模板无法完成引导晶粒定向生长的任务,成为了困扰PZT陶瓷织构化工作的关键难题。

针对上述问题,研究团队提出了通过"钝化"模板实现PZT陶瓷高质量织构化的研究思路。一方面,团队研制出了含Zr⁴⁺的Ba(Zr,Ti)O₃新模板来代替传统钛酸盐模板,提高了模板在母体中的稳定性;另一方面,团队设计了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,使模板籽晶首先在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⁺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、g₃₃〜90mV·m/N、机电耦合系数k₃₃〜0.85)和良好的温度稳定性(居里温度〜360°C),突破了现有PZT陶瓷压电效应与居里温度的制约关系(图1c)。本研究为先进陶瓷的织构化工作提供了一种新思路,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。

论文共同通讯作者为西安交通大学李飞教授、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。论文共同作者中包括哈尔滨工业大学仪器学院博士生刘琳婧和吕蕊。研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的支持。

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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基陶瓷压电系数d₃₃与居里温度的关系;

(d)机电耦合系数k₃₃与居里温度的关系;

(e)PZT织构陶瓷、<001>晶向PMN-27PT单晶以及商用PZT-5陶瓷的电致应变对比图。

原文链接:https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf6161