哈工大全媒体（张德龙 文/图）4月7日，我校仪器学院常云飞教授课题组和西安交通大学、澳大利亚新南威尔士大学、伍伦贡大学等单位组成的研究团队，在高性能织构压电陶瓷方面取得重要突破，研究成果以《晶粒定向排列的锆钛酸铅陶瓷》（Lead zirconate titanate ceramics with aligned crystallite grains）为题发表在《科学》（Science）上。
压电材料能够实现机械能与电能的相互转换，在医学超声诊断、精密驱动控制、深海通讯、无损检测等重要领域有着广泛的需求。锆钛酸铅（PZT）陶瓷是诸多机电转换器件的核心材料，增强其压电性能对推动相关器件与系统的升级换代具有重要意义。通过对陶瓷晶粒的织构化（即：将晶粒沿特定晶体学方向定向排列），充分发挥晶粒物理性质的各向异性，被认为是进一步提升PZT陶瓷压电性能的关键途径。然而，自20世纪90年代至今，人们始终无法制备出晶粒高度择优取向的织构PZT陶瓷。具体来说，在陶瓷织构前，PZT粉体会与传统钛酸盐微晶模板发生严重的固相反应，致使模板无法完成引导晶粒定向生长的任务，成为了困扰PZT陶瓷织构化工作的关键难题。
针对上述问题，研究团队提出了通过“钝化”模板实现PZT陶瓷高质量织构化的研究思路。一方面，团队研制出了含Zr⁴⁺的Ba（Zr，Ti）O₃新模板来代替传统钛酸盐模板，提高了模板在母体中的稳定性；另一方面，团队设计了Zr⁴⁺含量非均匀分布的PZT母体多层结构来代替传统的均匀结构，使模板籽晶首先在Zr⁴⁺含量较低的PZT母体中完成诱导晶粒定向生长的任务，在之后的晶粒生长和陶瓷致密化过程中，再通过Zr⁴⁺和Ti⁴⁺扩散获得组分均匀的PZT织构陶瓷。
基于上述方法，研究团队解决了几十年来PZT陶瓷无法被高质量织构化的学术难题，首次制备出了晶粒沿<001>高度择优取向的PZT织构陶瓷（图1a&b），在准同型相界附近获得了优异的压电、机电耦合性能（压电系数d₃₃～700 pC/N、g₃₃～90mV·m/N、机电耦合系数k₃₃～0.85）和良好的温度稳定性（居里温度～360℃），突破了现有PZT陶瓷压电效应与居里温度的制约关系（图1c）。本研究为先进陶瓷的织构化工作提供了一种新思路，研制出的高性能PZT织构陶瓷不但为高灵敏度传感器、换能器的性能提升带来了新的契机，同时也为研究PZT这类经典铁电体结构与性能关系提供了重要的基础材料。
论文共同通讯作者为西安交通大学李飞教授、我校常云飞教授和澳大利亚伍伦贡大学张树君教授。论文共同作者中包括我校仪器学院博士生刘琳婧和吕蕊。研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的支持。
论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf6161

图1.（a）PZT织构陶瓷的截面扫描电镜图；
（b）PZT织构陶瓷同步辐射XRD{002}极图；
（c）PZT基织构陶瓷和传统PZT基陶瓷压电系数d₃₃与居里温度的关系；
（d）机电耦合系数k₃₃与居里温度的关系；
（e）PZT织构陶瓷、<001>晶向PMN-27PT单晶以及商用PZT-5陶瓷的电致应变对比图。