近年来，借鉴含铅PZT基陶瓷中MPB相界处高压电响应的特点，研究人员在KNN基陶瓷中成功构建了多晶型相界（PPB），显著改善了KNN基压电陶瓷的压电系数。然而基于PPB相界策略所开发的高压电系数KNN基陶瓷通常表现出d33温度的不稳定性。在实际应用中，不仅要求压电材料具备高的d33，通常在-20至140℃的温度范围内也要呈现出良好的温度稳定性。因此，如何协同优化压电系数及其温度稳定性是KNN基陶瓷实现更进一步应用的关键问题。
近日，同济大学材料科学与工程学院翟继卫教授研究团队在KNN基压电陶瓷中创新性地构建了一种具有MPB特征的扩散型PPB相界，用于协同优化压电系数及其温度稳定性。研究成果以“Ultrahigh thermal stability and piezoelectricity of lead-free KNN-based texture piezoceramics”为题发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。
该研究结合织构技术，将（Bi0.5K0.5）HfO3引入到0.97（Na0.56K0.44）NbO3-0.03Bi0.5Na0.5ZrO3基质中，成功构建了PPB相界。其中Bi3+和Hf4+有助于扩散型O-T相界的初步形成，而织构技术进一步改善了相界的温度稳定特性。另一方面，织构技术诱导的<00l>C晶体取向和O-T相界的构建可以促进电偶极子的有效翻转，保证了较高的压电响应。所开发的KNN基织构陶瓷不仅具有高的压电系数（d33 ～550±30 pC/N），还呈现出超高的温度稳定性（在25-150℃的温度范围内变化率小于1.2%，在25-250℃内变化率小于10%）。
该论文第一单位是同济大学材料科学与工程学院，学院硕士生徐礼辉为论文第一作者，沈波副教授和翟继卫教授为论文通讯作者。该研究工作还得到了多个单位的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-53437-5
除此之外，翟继卫教授研究团队还选择了具有高居里温度的KNN-BNN作为基础体系，并同样利用第三组分（Bi0.5K0.5）HfO3（BKH）进行化学改性，相关研究成果以“Broad Temperature Plateau for High Piezoelectric Coefficient by Embedding PNRs in Singe-Phase KNN-Based Ceramics”为题发表于《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）。
所制备的KNN基陶瓷不仅具有高度的织构取向和高的居里温度，而且成功地扩散并降低了TO-T相变温度，最终在室温单四方相KNN基织构陶瓷基质中观察到极性纳米微区（PNRs）的嵌入。这种新型的多尺度结构使得KNN基陶瓷不仅保持了高居里温度（～365℃）和高压电性能（d33 ～331 pC/N，d33*～561 pm/V），同时还获得了优异的温度稳定性，如在25℃到100℃的温度范围内，其d33仅变化2.0%（～10.0%到200℃），在25℃到175℃的温度范围内，其d33*仅变化4.2%（～9.8%到200℃）。
论文第一单位是同济大学材料科学与工程学院，学院硕士生华银、博士生钱进为论文共同第一作者，翟继卫教授为论文通讯作者。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202414348
来源：同济大学
原文链接：https://news.tongji.edu.cn/info/1003/89147.htm
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