近日，材料科学与工程学院吴家刚教授团队在铌酸钾钠基无铅压电陶瓷性能调控和物理机理研究方面取得重要进展。该团队利用纳米尺度的多相共存构建类似冰沙状结构（Slush Polar State），并呈现出一类新型的位于铁电相变处的驰豫行为，该类新型弛豫特性相界进一步提升了铌酸钾钠基陶瓷的压电性能，其压电性能为当前国际上报道的该类非织构陶瓷最高值。该工作通过与新加坡国立大学、西安交通大学合作，通过透射电镜、相场模拟、朗道自由能模拟阐述了“纳米尺度上多相共存与自发极化演变过程”、“遍历态的纳米极性区与冰砂状结构”以及“极低的能量势垒与各向异性”，揭示了高压电性能的物理起源。该工作为无铅压电陶瓷的性能调控提供了一种新思路，相关成果以“Ultrahigh Performance in Lead-free Piezoceramics Utilizing a Relaxor Slush Polar State with Multiphase Coexistence”为题发表在国际顶级期刊《Journal of the American Chemical Society》（IF=14.695）上。论文第一作者为我校博士研究生陶红，我校吴家刚教授为共同通讯作者，我校为该论文的第一署名单位，合作单位包括新加坡国立大学和西安交通大学。

图一  文章标题及研究设计思路

压电陶瓷作为一类可实现电能和机械能之间相互转换的功能材料，已被广泛应用于电子、航天、医药等众多领域。近年来，为应对环境保护、社会可持续发展以及欧盟 RoHS等法令，世界各国都对该类材料的无铅化发出迫切的呼声。铌酸钾钠基[(K,Na)NbO3]无铅压电陶瓷能够同时兼具高压电性能和高居里温度，成为最有潜力取代铅基压电材料的选择之一。近年来，我们提出了通过组分设计来构建新型相界以增强铌酸钾钠基无铅陶瓷性能的新思路(JACS 2014、Chem Rev 2015、Prog Mater Sci 2018、Springer全英文专著)；依此新思路并辅以弛豫特性设计，使其压电性能获得了突破(d33~650±20 pC/N)，为当前国际上报道的该类非织构陶瓷最高值，已优于当前商业化应用的PZT-5H陶瓷(JACS 2019)；通过“相界-性能关联”和“纳米铁电畴”研究，诠释了高压电性起源(Adv Mater 2016、JACS 2016、Energy Environ Sci 2017)；通过高性能无铅压电陶瓷材料，制备出了性能优异的无铅器件。

Journal of the American Chemical Society（JACS）《美国化学会志》是材料和化学领域最具影响力的期刊之一，由美国化学会创办于1879年，至今拥有130多年历史。到目前为止，JACS仅发表了五篇关于钙钛矿型无铅压电陶瓷压电性能调控的文章，其中该团队先后发表了四篇研究型论文。

上述研究工作得到国家自然科学优秀青年基金(51722208)等项目资助。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.9b07188