上海交大材料学院在无铅压电陶瓷的大小信号协同调控研究中取得重要进展

近日，上海交通大学材料科学与工程学院、金属基复合材料全国重点实验室郭益平教授团队在铌酸钾钠（KNN）基无铅压电陶瓷的大小信号协同提升研究中取得突破进展，相关研究成果“Simultaneous enhancement of large-/small-signal with superior thermal stability in KNN-based piezoceramics by defect-dipole design and phase boundary engineering” (DOI: )发表于国际材料学科领域著名学术期刊Acta Materialia上。

随着全球环保法规日益严格，传统含铅压电陶瓷（如PZT）因其环境与健康风险正面临逐步替代的需求。铌酸钾钠（KNN）基无铅压电陶瓷因其较高的居里温度、优异的电学性能以及与PZT相近的矫顽场，被认为是最具潜力的替代体系之一。然而，尽管KNN体系在部分单一性能上已接近甚至达到PZT水平，但其综合性能仍存在明显差距，难以满足对大/小信号协同响应要求较高的应用场景，如压电触觉反馈等。

针对这一关键瓶颈，郭益平教授团队提出了一种相界工程（phase boundary engineering, PBE）与缺陷偶极子设计（defect-dipole design）协同调控的新策略。一方面，通过Bi含量调控构建室温正交-四方多相共存区，提升畴壁迁移能力，从而提高小信号压电性能d₃₃；另一方面，通过主动引入A位缺陷偶极子，显著提升了陶瓷的电致应变性能，同时优化了畴结构，实现大信号d_33*以及温度稳定性的提升。研究团队在优化组分D-KNNS-B7NZ中实现了d₃₃ = 429 pC N^-1，d_33* = 1000 pm V^-1（@20 kV cm^-1）的优异性能，同时在室温至100 ℃范围内表现出优异的温度稳定性（Δd₃₃~7%，Δd_33*~6%）。进一步的微观结构表征表明，该压电陶瓷综合性能的协同提升来源于多尺度结构调控机制：Bi3+的高电负性使其与氧形成更强的共价键，从而更有效地调控正交-四方相变行为，在室温下构建多相共存；同时，过量Bi的掺杂减少了氧空位含量，使得铁电畴更容易翻转，提升了小信号d₃₃。而缺陷偶极子的引入则打破了原有的单一条带畴结构，诱导形成纳米畴与条带畴共存的复合畴结构。纳米畴具有更好的温度稳定性，并且其更高的畴壁迁移能力使其更容易与缺陷偶极子产生相互作用，因此该复合畴结构能在保持小信号d₃₃不变的同时提升电致应变与温度稳定性。

该研究通过相界工程与缺陷偶极子设计的协同调控，实现了无铅压电陶瓷大/小信号与温度稳定性的协同优化，为构建可替代铅基材料的高性能无铅压电材料体系提供了新的设计思路，对推动压电器件的绿色无铅化和工程应用具有参考价值。

D-KNNS-B7NZ陶瓷的综合性能调控机制

本工作（D-KNNS-B7NZ）和其他无铅压电陶瓷材料性能对比