西安交大靳立教授团队提出提高无铅压电陶瓷应变性能新策略

压电陶瓷是一类能够实现电能与机械能相互转换的功能材料，因其优异的机电耦合性能被广泛应用于致动器、传感器等精密驱动领域，受到广泛研究与关注。然而，目前高性能压电陶瓷大多为铅基材料（如锆钛酸铅，PZT），正受到日益严格的环保法规限制；而无铅压电陶瓷虽环境友好，却普遍存在电致应变偏低（通常小于0.5%）、应变滞回较大（常高于20%）以及热稳定性较差等问题，严重制约了其实际应用与发展。以钛酸铋钠（BNT）为基础的无铅压电陶瓷体系是当前研究的热点之一，该类材料在较高外电场下可产生较大的电致应变，但其应变响应往往伴随着明显的滞回损耗，降低了能量效率和驱动精度。

针对上述挑战，西安交通大学的研究团队创新性地提出了一种“相界与缺陷工程协同”策略，即在调控材料室温下非遍历弛豫相与遍历弛豫相（NER–ER）相界的同时，引入缺陷偶极子以优化其机电性能。这一突破性进展为开发适用于先进机电系统的高性能环境友好型驱动材料提供了极具前景的设计思路。相关研究成果以《协同相界与缺陷工程实现无铅陶瓷超高电致应变》（“Synergistic Phase Boundary and Defect Engineering Enables Ultrahigh Electrostrain in Lead-Free Ceramics”）为题，发表于《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）上。

压电陶瓷依托压电效应实现机电能量转换，在致动器与传感器等领域扮演关键角色。传统铅基材料（如PZT）虽性能卓越，却因环境与健康风险面临淘汰；而无铅替代材料（如BNT、KNN和BT等）普遍存在电致应变不足、滞回高和稳定性差等瓶颈。为解决该问题，研究团队提出协同调控策略：一方面通过构建形态相界（MPB）增强极化的灵活性；另一方面借助缺陷工程，引入异价掺杂离子与氧空位形成的缺陷偶极子，以降低电畴翻转能垒。具体而言，该研究在(Bi_0.5Na_0.5)_0.93Ba_0.07TiO₃（BNBT）陶瓷中通过B位共取代引入(Sn_0.5Sb_0.4)⁴⁺复合离子，同步实现室温NER–ER相界的精确调控与缺陷偶极子的有效构筑，从而将电致应变从通常不足0.5%提升至1.0%以上，并保持良好的可逆性与超低滞回。在优化组分（(Sn_0.5Sb_0.4)⁴⁺掺杂量为1mol%时）下，该材料表现出1.06%的超高电致应变、7.2%的超低应变滞回和1317 pm/V的等效压电系数。微观机制研究表明，异价离子取代诱发氧空位并形成稳定的缺陷偶极子，经极化-老化处理后可沿自发极化方向定向排列，从而降低畴翻转势垒并增强内建电场；相界调控使NER–ER转变温度接近室温，显著提高了场致相变的可逆性。这两方面的协同作用有效解决了无铅陶瓷应变与滞回特性之间的固有矛盾。

该论文基于深入的实验表征与理论分析，系统探讨了相界与缺陷工程协同策略在无铅铁电陶瓷中的调控机制。作者通过组分优化与极化-老化处理的系统研究，揭示了相界调制与缺陷偶极子定向排列的协同增强效应。该机制为理解无铅陶瓷中超高电致应变的起源提供了新视角。在无铅铁电致动器材料领域，这一发现不仅为开发兼具超高应变、超低滞回和高等效压电系数的环保型材料奠定了新的理论基础，还有望推动精密驱动与传感技术领域的技术创新与发展。

西安交通大学电子学院靳立教授、青年教师景瑞轶博士和陕西科技大学杨海波教授为该论文的通讯作者。西安交通大学电子学院博士生聂欣茹为该论文的第一作者。其他参与该研究工作的学者包括陕西师范大学杨祖培教授、焦桓教授，华中科技大学张海波教授等。该研究工作得到了国家自然科学基金、中国博士后科学基金等项目的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202513360

靳立教授主页：https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/ljin