近日，广东以色列理工学院材料科学与工程系教授谭启与四川大学合作，研发出一种新型策略，显著提升了无铅压电陶瓷的硬化效果，为该材料在高功率领域的应用开辟了新路径。相关成果发表于《自然-通讯》。

压电陶瓷是一种特殊的陶瓷材料，它可以实现机械能与电能的相互转换，在工业和科技领域有着广泛应用，包括声波传感器、声波发生器、电子点火器、压力传感器等。传统含铅压电陶瓷（如PZT）因性能优异且大规模工业化生产，在市场中占据主导地位。然而，铅的毒性对环境有害，因此开发无铅压电陶瓷以替代含铅材料成为研究的重要趋势。其中，基于钾钠铌酸盐的无铅压电陶瓷因其在相界工程、织构化、缺陷工程和复合陶瓷等方面取得的显著进展而备受关注，展现出较高的压电系数（d₃₃）、电致应变和温度稳定性。

相结构和电滞回线行为。研究团队供图

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为了使钾钠铌酸盐能够实现大规模工业化生产的高功率应用，压电陶瓷需要同时具备高d₃₃和高机械品质因数（Qₘ），以确保良好的机电性能并减少能量耗散产生的热量。然而，平衡d₃₃和Qₘ是一个重大挑战，因为它们对极化贡献的偏好不同。这种矛盾在钾钠铌酸盐基压电陶瓷中尤为突出，传统的相界工程虽然显著提高了d₃₃，但Qₘ却极低（<50），因此可能导致大量的机械损耗，限制了大规模生产的可行性。传统受主掺杂（如铜、锰）和新提出的孤立氧空位策略虽能提高Qₘ，但无法保证高d₃₃，影响了产品的机械性能，大规模生产于是无从谈起。

该研究提出了一种新的策略，对钾钠铌酸盐基无铅压电陶瓷进行研究，在多个方面取得了重要结果，通过在正交-四方相界工程中嵌入局部铜受主缺陷偶极子，实现了钾钠铌酸盐基陶瓷的d₃₃和Qₘ平衡。该策略保留了室温O-T相界，引入了二聚体（CuNb′″-Vo··）′和三聚体（Vo··-CuNb″′-Vo··）·缺陷。通过X射线吸收精细结构光谱和第一性原理计算，证实了三聚体缺陷的存在。保留的O-T相界和缺陷引起的局部结构不均匀性确保了高d₃₃，二聚体缺陷形成的缺陷偶极子极化PD钉扎畴壁运动，提高了Qₘ。使得钾钠铌酸盐-BNH-1Cu样品优于其他典型钾钠铌酸盐基压电陶瓷。

机电特性和电畴消长模型。研究团队供图

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基于正交-四方相界工程，研究人员通过引入铜受主掺杂，形成二聚体（𝐶𝑢𝑁𝑎″′-𝑉𝑁••）′和三聚体（𝑉𝑁••-𝐶𝑢𝑁𝑎″′-𝑉𝑁••）·缺陷。二聚体缺陷形成缺陷偶极子极化，钉扎畴壁运动；三聚体缺陷则引入局部结构异质性，导致纳米尺度多相共存和丰富的纳米畴。实验结果表明，当铜掺杂量x=1时，Qₘ提高了4倍，而d₃₃仅降低了1/5（达到340 pC/N，Qₘ为256）。

该研究为无铅压电陶瓷中d₃₃与Qₘ的平衡提供了全新范式，有望推动其在高功率应用（如超声换能器、精密驱动器等）中的规模化发展。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-025-58269-5