發布時間：2023年4月19日
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在國家自然科學基金項目（批準號：51922083、52072092、52172129）等資助下，西安交通大學李飛教授團隊在鋯鈦酸鉛陶瓷研究方面取得進展。相關研究成果以“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日發表在《科學》（Science）雜志上。
作為一類最經典的鐵電固溶體，鋯鈦酸鉛[Pb(Zr, Ti)O3, PZT]陶瓷以優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療B超探頭、精密驅動器等壓電器件的靈敏度、分辨率等關鍵性能指標，因此進一步增強其壓電性能對于推動相關器件與系統的升級換代具有重要意義。對陶瓷晶粒織構化（即：將晶粒沿特定晶體學方向定向排列），使其充分發揮晶粒物理性質的各向異性，被認為是提升PZT陶瓷壓電性能的關鍵途徑。然而，自上世紀90年代至今，人們始終無法制備出晶粒具有高度擇優取向的PZT陶瓷，即：PZT織構陶瓷。具體來說，在陶瓷燒結過程中，PZT粉體會與傳統鈦酸鹽微晶模板(BaTiO3或SrTiO3)發生嚴重的固相反應，導致微晶模板無法完成引導晶粒定向生長的任務，這也成為了困擾PZT陶瓷織構化工作的關鍵難題。
為此，該研究團隊提出了通過“鈍化”模板來實現PZT陶瓷高質量織構化的研究思路。一方面，研制出了一種新型鋯鈦酸鋇[Ba(Zr, Ti)O3, BZT]模板，代替傳統鈦酸鹽模板，提高了模板在PZT母體中的穩定性；另一方面，設計了Zr4+含量非均勻分布的PZT母體多層結構來代替傳統的均勻結構，使籽晶模板首先在Zr4+含量較低的PZT母體中完成誘導晶粒定向生長的任務，在之后的晶粒生長和陶瓷致密化過程中，再通過Zr4+和Ti4+離子擴散獲得組分均勻的PZT織構陶瓷。
基于上述方法，該研究團隊解決了幾十年來PZT陶瓷無法被高質量織構化的學術難題，首次制備出了晶粒沿<001>晶向高度擇優取向的PZT織構陶瓷（圖1a&b），在準同型相界附近獲得了優異的壓電、機電耦合性能（壓電系數d33~700 pC/N、g33~90 mV·m/N、機電耦合系數k33~0.85），以及良好的溫度穩定性（居里溫度~360oC），突破了現有PZT陶瓷壓電效應與居里溫度的制約關系（圖1c）。
該研究為諸多先進陶瓷的織構化工作提供了一種新的思路。研制出的高性能PZT織構陶瓷不但為高靈敏度傳感器、換能器的性能提升帶來了新的契機，也為研究PZT這類經典鐵電體結構與性能關系提供了重要的基礎材料。
日期 2023-04-18 來源：工程與材料科學部 國家自然科學基金委員會