壓電材料是一類能夠直接實現(xiàn)機械能和電能有效轉(zhuǎn)換的功能電子材料，廣泛應(yīng)用于機械制造、電子通訊、軍事等領(lǐng)域，在力、熱、光、電、磁等功能轉(zhuǎn)換器件中具有無法替代的作用。

壓電材料按照材料形態(tài)可分為壓電單晶、壓電陶瓷、壓電高分子以及壓電復(fù)合材料等幾大類，其中壓電單晶材料特別是弛豫型鈦酸鉛基壓電單晶因其單疇特性，壓電常數(shù)d33高達(dá)2000~3000pC/N，壓電性能最為優(yōu)異，而壓電陶瓷材料具有豐富的組分可調(diào)性，同時制備工藝簡單，成本低，一直占據(jù)著壓電材料的大部分市場份額。

那么，有沒有可能存在一種壓電陶瓷材料，在壓電性能上媲美壓電單晶呢？近日，北京大學(xué)工學(xué)院董蜀湘教授團隊及其合作者，通過材料組分調(diào)控，制備了一種三元鈣鈦礦結(jié)構(gòu)高溫壓電陶瓷材料，200℃時的壓電性能可媲美傳統(tǒng)的弛豫壓電單晶材料。

近年來，隨著汽車制造、能源勘探和航空航天等領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，壓電材料的應(yīng)用環(huán)境受到了嚴(yán)峻的考驗，如汽車內(nèi)燃機的電噴裝置，要求壓電材料在200℃甚至300℃以上的高溫環(huán)境下穩(wěn)定工作，石油勘探過程中，深井探測油壓等參數(shù)的壓力傳感器也對壓電材料提出了新的挑戰(zhàn)，航空航天領(lǐng)域的發(fā)動機振動情況檢測更是要求壓電材料在更高的溫度下工作，高溫壓電材料及其器件應(yīng)用的研究得到了前所未有的關(guān)注和重視。

目前性能最為優(yōu)異的壓電材料是弛豫壓電單晶材料，由于其成分和結(jié)構(gòu)的原因，居里溫度只有120℃~180℃左右，而塊體壓電材料因其熱老化作用，正常使用的溫度范圍被限制在居里溫度的一半以下，弛豫壓電單晶材料無法在200 ℃以上的溫度環(huán)境下穩(wěn)定工作，而傳統(tǒng)的壓電陶瓷材料性能不足以媲美壓電單晶材料，成為該領(lǐng)域的一個瓶頸問題。

董蜀湘教授團隊長期致力于高溫壓電陶瓷材料及其器件應(yīng)用的研究領(lǐng)域，本次的研究成果實現(xiàn)了傳統(tǒng)的壓電陶瓷材料性能的突破，高溫壓電性能媲美壓電單晶材料。

他們在鈧酸鉍-鈦酸鉛BiScO3-PbTiO3（BS-PT）高溫壓電陶瓷基礎(chǔ)上，通過組分調(diào)控，引入鈮錫酸鉛Pb(Sn1/3Nb2/3)O3（PSN）第三組元，形成鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的三元系高溫壓電陶瓷固溶體，在準(zhǔn)同型相界組分附近獲得了最優(yōu)壓電性能，室溫壓電常數(shù)d33為555 pC/N，機電耦合系數(shù)達(dá)到58.9%。隨著溫度的升高，在200oC時其逆壓電常數(shù)d*33達(dá)到2500 pm/V，與傳統(tǒng)的弛豫壓電單晶相當(dāng)，同時其居里溫度高達(dá)408℃，完全滿足200℃以上的高溫壓電應(yīng)用需求，是高溫壓電應(yīng)用的理想材料。

鈮錫酸鉛-鈧酸鉍-鈦酸鉛（PSN-BS-PT）壓電陶瓷相結(jié)構(gòu)與高溫電性能

此外，團隊針對該材料體系，利用GLD唯象理論，根據(jù)材料的相結(jié)構(gòu)變化，結(jié)合壓電材料自發(fā)極化的翻轉(zhuǎn)與伸縮變化對壓電性能的貢獻(xiàn)，建立了相關(guān)理論模型，合理解釋了該材料體系高溫下的高壓電活性起源。

鈮錫酸鉛-鈧酸鉍-鈦酸鉛（PSN-BS-PT）壓電陶瓷自發(fā)極化理論模型與高溫電疇結(jié)構(gòu)

這項工作為高溫壓電應(yīng)用領(lǐng)域提供了一種性能上可媲美弛豫壓電單晶的壓電陶瓷材料，在制備工藝及材料成本方面具有顯著的優(yōu)勢，為擴展高溫壓電材料的應(yīng)用提供了一種簡單且低成本的方法，在汽車制造、深井探測、航空航天等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。同時該工作建立的理論模型對理解BS-PT基高溫壓電陶瓷的高壓電活性起源提供了一定的理論指導(dǎo)。

相關(guān)論文以“Giant Piezoelectricity of Ternary Perovskite Ceramics at High Temperature”為題發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《先進功能材料》（Advanced Functional Materials, IF=13）上（Adv. Funct. Mater. 2019, 1807920），文章第一作者是趙天龍博士（北京大學(xué)和山東大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士生，現(xiàn)為西安電子科技大學(xué)講師），北京大學(xué)董蜀湘教授是該文通訊作者，加拿大西蒙弗雷澤大學(xué)葉作光教授為共同通訊作者；合作者還包括山東大學(xué)王春明教授課題組、新加坡國立大學(xué)曾開陽教授課題組。

Zhao T L, Bokov A A, Wu J, et al. Giant Piezoelectricity of Ternary Perovskite Ceramics at High Temperatures[J]. Advanced Functional Materials, 2019: 1807920.