NSR：铌酸钾钠基无铅压电陶瓷：走向应用

知社学术圈 2022-10-13

The following article is from 中国科学杂志社 Author 《国家科学评论》

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压电陶瓷可以实现机械能与电能之间的高效转换。过去几十年间，以PZT为代表的铅基压电材料一直占据着主要市场，而在更加环保、健康的“无铅压电材料”中，铌酸钾钠(KNN)基压电陶瓷备受关注。

近日，清华大学材料学院李敬锋团队、北京科技大学材料学院张波萍团队在《国家科学评论》（National Science Review, NSR）发表观点文章，分析了KNN基陶瓷的研究现状，概述了近十余年中的研究进展，并指出了进一步推动KNN基陶瓷应用的主要障碍及应对策略，为下一步的研究指明方向。

根据应用领域的不同，压电陶瓷材料可以分为软性和硬性两类：

软性压电材料通常具有较高的压电常数d₃₃，广泛应用在多层陶瓷致动器、换能器、医学成像等领域。过去十余年间，基于相界调控、电畴调控等手段，软性KNN陶瓷取得了突破性进展，压电常数已经可以与商用锆钛酸铅(PZT)基压电陶瓷相媲美。
硬性压电陶瓷机械品质因数（Q_m）高、损耗小，在工作时产生的热量较少，广泛应用于超声马达，水声换能和超声手术刀等领域。然而，硬性KNN陶瓷的综合性能却还不尽如人意（如下图）：随着Q_m的增加，d₃₃呈现剧烈下降趋势。这严重阻碍了KNN基陶瓷进一步的发展与应用。

KNN与PZT基压电陶瓷d₃₃和Q_m对比

针对这一现状，文章以PZT基压电陶瓷的硬化机理为基础，分析了缺陷（偶极子）和晶界对KNN基无铅压电陶瓷的影响，指出缺陷调控和晶粒尺寸调控是提高KNN陶瓷“硬性特性”的重要策略，通过缺陷(偶极子)和晶界钉扎或者夹持畴壁，抑制畴壁运动，降低机械损耗，可以有效提高机械品质因数Q_m(如下图)；

铌酸钾钠基陶瓷机械品质因数提升策略 (a-c)缺陷调控；(d-e)晶粒尺寸调控

文章最后指出，前沿领域中的大功率应用要求KNN基压电材料的综合优值参数的协同调控（包括压电系数d₃₃、机械品质因数Q_m、纵向机电耦合系数k₃₃、介电常数ε、居里温度T_c）应成为未来的探索的重点。对于大功率应用而言，d₃₃(~300 pC/N)、Q_m(~500)，k₃₃> 0.6，ε > 1000以及T_c> 280℃是下一步研发的目标。

点击“阅读原文”阅读论文原文。

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