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新型无铅压电超材料:高压电响应、高温度稳定性

( 2015-10-12 )

  近日,中国科学技术大学材料科学与工程系初宝进教授课题组通过材料的力学和成分结构设计,利用还原工艺在无铅铁电陶瓷中实现所设计的结构,从而制备出具有高表观压电响应和高温度稳定性的无铅压电超材料 (lead-free piezoelectric metamaterials),研究成果发表在Wiley著名材料科学期刊《Advanced Materials》上(DOI:10.1002/adma.201502562),该工作题目为“Lead-Free Metamaterials with Enormous Apparent Piezoelectric Response”。

  目前,铅基的压电材料,特别是Pb(Zr,Ti)O3陶瓷,由于具有良好的压电性能,性能可调性以及比较好的压电性能和温度稳定性,得以广泛的应用。然而,这些材料中含有超过60%重量的铅元素,对环境存在比较大的危害。一些国家或地区已经或正在立法限制铅元素在材料中的使用,因而近年来无铅压电陶瓷的探索研究十分活跃。目前获得无铅压电陶瓷主要的方法是通过寻找新的无铅压电材料体系或对已有的材料体系进行改性。虽然通过大量的工作,无铅压电陶瓷的性能已经得到了极大的提高,但与铅基的材料相比,在压电性能,温度稳定性以及性能的可调控性方面仍存在较大的差距,因而仍然无法取代现有的铅基材料。

  初宝进教授课题组采用一种与上述传统方法不同的思路,利用一种机电耦合效应——挠曲电效应来设计和制备无铅压电材料。早在1999年,美国宾夕法尼亚州立大学的L. Eric Cross教授及合作者提出利用挠曲电效应设计压电复合材料的思路。然而设计能够产生挠曲电响应的梯度结构是实现这类材料的难点,目前只在两种结构中验证了Cross教授的思路,而且这些结构的表观压电性与传统铅基材料相比仍有比较大的差距或者只具备传统压电材料的部分功能,存在着各自的缺点。初宝进教授课题组通过简单的还原工艺,在钛酸铋钠基无铅铁电陶瓷内部形成两种梯度结构,并大幅度提高材料的挠曲电响应,获得了具有类似于传统压电材料的功能性和优异表观压电性能的无铅压电超材料。这种新型无铅压电超材料的表观压电系数超过了具有最好压电性能的压电单晶材料,并且这种压电响应可以保持到400℃以上,远高于铅基压电单晶材料压电性能的稳定温度,在机电器件中有着广阔的应用前景。同时该工作为设计比现有压电材料具有更好传感和驱动性能的压电复合材料开辟了新的思路与方法。

  论文第一作者为博士研究生周万丰。上述研究工作受到中组部青年千人计划、国家自然科学基金和中央高校基本科研基金等的支持。

  论文链接:http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201502562/full


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