一、 研究背景

开发更高效的能量转换材料（如机电、声电转换）是许多尖端应用研究中长期追求的目标，如医疗诊断领域和微机电系统（MEMS）。得益于其独特的压电效应，压电陶瓷被广泛用于上述领域的换能器和能量收集器当中。近年来，基于居里温度和压电性因素地综合考量下，KNN基压电陶瓷已成为几种著名无铅材料中最受广泛研究的铅基压电替代材料。因此，国际范围内已经做出了大量努力来优化提高KNN基压电陶瓷的综合机电特性，以满足对无铅电子器件发展的迫切需求。

深入了解结构与性能的关系对于高性能材料的设计和研发至关重要。最初受PZT陶瓷中MPB相界的启发，研究人员主要通过化学改性将T_O-T或T_R-O移动到室温，从而构建O-T、R-O、R-T或R-O-T类型的多晶型相界，特别是R-T和R-O-T新型相界（NPB），可以有效的提高KNN基压电陶瓷的压电性，并将非织构随机KNN基陶瓷的d₃₃推至新的高度。然而，实际上，单纯采用NPB相界构建也带来了一些新的问题。一方面，想要实现更高的压电性不可避免地需要牺牲居里温度。另一方面，NPB相界中典型短程无序极性纳米区（PNRs）的存在并不完全有利于KNN基陶瓷的压电性以及机电耦合特性。因为，尽管PNRs有利于畴的极化翻转，但由于高含量的短程无序PNRs及其与铁电基体之间的能量差异，很难实现饱和的极化状态，因此无法获得令人满意的机电耦合因子（k_p < 0.6）。相反，织构化工程在压电陶瓷中诱导的晶体各向异性不仅可以在不牺牲居里温度的情况下改善d₃₃无铅压电陶瓷，而且可以极大地提高其机械耦合特性，可以恰好地弥补NPB相界工程带来的不足。

二、 成果介绍

为了弥补单纯采用NPB相界策略在KNN基压电陶瓷压电性能的改善过程中所带来的难以实现饱和的极化状态问题，近日，西安交通大学材料学院武海军课题组与同济大学翟继卫教授团队通力合作，利用织构化工艺以及中熵诱导NPB相界之间的协同优化，基于模板晶体生长法（TGG）以及两步烧结法制备了T-xBHT织构压电陶瓷，深入探究了多尺度重构对xBHT压电陶瓷性能的影响规律。所开发的KNN基陶瓷具有优异的综合压电性能（d₃₃ ~ 680 ± 35 pC/N, k_p ~ 72.5%）和良好的居里温度（~ 260 ℃），展示出超高的能量收集性能和良好的超声换能特性，在无铅和铅基压电陶瓷中都具有很强的竞争力。综合结构分析表明，电场诱导的高效多尺度极化配置的不可逆翻转极大地促进了高饱和的极化。该项工作不仅展示了高性能KNN基压电陶瓷设计的新思路，并为压电性能和潜在的多尺度结构之间建立了密切的联系。

相关成果以“Multiscale reconfiguration induced highly saturated poling in lead-free piezoceramics for giant energy conversion”（《多尺度重构诱导无铅压电陶瓷高度饱和的极化，实现了巨大的能量转换》）为题发表在《Nature Communications》上；相关成果以“Field-Induced Multiscale Polarization Configuration Transitions of Mesentropic Lead-Free Piezoceramics Achieving Giant Energy Harvesting Performance”（《场诱导多尺度极化构型转变调控无铅无压电陶瓷的亚稳相状态，实现了巨大的能量收集性能》）为题发表在《Advanced Functional Materials》上。这两篇工作的通讯作者是同济大学的翟继卫教授和西安交通大学的武海军教授。感谢西安交通大学分析测试中心在球差校正电镜表征的支持。

Nat. Commun.文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-46894-5

Adv. Funct. Mater. 文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202303965