【會員風采】哈工大聯合研究成果在《科學》發表

2023-04-08 會員風采

4月7日，中國儀器儀表學會單位會員哈爾濱工業大學儀器學院的常云飛教授課題組和西安交通大學、澳大利亞新南威爾士大學、伍倫貢大學等單位組成的研究團隊，在高性能織構壓電陶瓷方面取得重要突破，研究成果以《晶粒定向排列的鋯鈦酸鉛陶瓷》（Lead zirconate titanate ceramics with aligned crystallite grains）為題發表在《科學》（Science）上。

壓電材料能夠實現機械能與電能的相互轉換，在醫學超聲診斷、精密驅動控制、深海通訊、無損檢測等重要領域有著廣泛的需求。鋯鈦酸鉛（PZT）陶瓷是諸多機電轉換器件的核心材料，增強其壓電性能對推動相關器件與系統的升級換代具有重要意義。通過對陶瓷晶粒的織構化（即：將晶粒沿特定晶體學方向定向排列），充分發揮晶粒物理性質的各向異性，被認為是進一步提升PZT陶瓷壓電性能的關鍵途徑。然而，自20世紀90年代至今，人們始終無法制備出晶粒高度擇優取向的織構PZT陶瓷。具體來說，在陶瓷織構前，PZT粉體會與傳統鈦酸鹽微晶模板發生嚴重的固相反應，致使模板無法完成引導晶粒定向生長的任務，成為了困擾PZT陶瓷織構化工作的關鍵難題。

針對上述問題，研究團隊提出了通過“鈍化”模板實現PZT陶瓷高質量織構化的研究思路。一方面，團隊研制出了含Zr⁴⁺的Ba（Zr，Ti）O₃新模板來代替傳統鈦酸鹽模板，提高了模板在母體中的穩定性；另一方面，團隊設計了Zr⁴⁺含量非均勻分布的PZT母體多層結構來代替傳統的均勻結構，使模板籽晶首先在Zr⁴⁺含量較低的PZT母體中完成誘導晶粒定向生長的任務，在之后的晶粒生長和陶瓷致密化過程中，再通過Zr⁴⁺和Ti⁴⁺擴散獲得組分均勻的PZT織構陶瓷。

基于上述方法，研究團隊解決了幾十年來PZT陶瓷無法被高質量織構化的學術難題，首次制備出了晶粒沿<001>高度擇優取向的PZT織構陶瓷（圖1a&b），在準同型相界附近獲得了優異的壓電、機電耦合性能（壓電系數d₃₃～700 pC/N、g₃₃～90mV·m/N、機電耦合系數k₃₃～0.85）和良好的溫度穩定性（居里溫度～360℃），突破了現有PZT陶瓷壓電效應與居里溫度的制約關系（圖1c）。本研究為先進陶瓷的織構化工作提供了一種新思路，研制出的高性能PZT織構陶瓷不但為高靈敏度傳感器、換能器的性能提升帶來了新的契機，同時也為研究PZT這類經典鐵電體結構與性能關系提供了重要的基礎材料。

論文共同通訊作者為西安交通大學李飛教授、哈爾濱工業大學常云飛教授和澳大利亞伍倫貢大學張樹君教授。論文共同作者中包括哈爾濱工業大學儀器學院博士生劉琳婧和呂蕊。研究工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃等項目的支持。