合肥工业大学在新型无铅压电陶瓷材料研究领域取得新进展

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近日，合肥工业大学材料科学与工程学院左如忠教授课题组，成功发现和制备了具有钙钛矿结构的新型NaNbO3基三元系无铅陶瓷材料，该材料体系不仅具有环境友好特征，还具有优异的电致应变特性和温度不敏感的压电和机电性能，有望在高性能陶瓷驱动器、传感器和换能器等领域获得应用。这一研究成果先后在2016年应用物理快报（Applied Physics Letter，APL）的第108期和第109期连载。
传统铁电压电材料中，铅含量高达65%以上。随着环境保护意识的增强，寻找可替代传统铅基陶瓷材料为代表的电子陶瓷材料的无铅化研究成为了近年材料领域的热点之一。然而，尽管该领域的科学家们经过十余年艰苦卓绝的努力，极大地推动了无铅压铁电材料的研究水平，然而一些关键性的科学问题仍一直困扰着当前无铅材料的产业化应用。除了和传统材料相比压电性仍然不足外，其电学性能的热稳定性，电致应变的滞后性等与器件应用相关的技术参数亟待完善，压电性能热稳定的结构起源等基础问题的研究有待深入。
近年来，左如忠教授课题组在新型无铅压电陶瓷材料的设计、制备及其工艺-结构-性能相互关系等一系列基础问题的研究方面完成了大量开创性工作，特别是在借助高分辨透射电子显微镜、高能同步辐射光源等先进技术手段探索无铅压电材料体系在宏观电学性能和微观、介观结构、局域电子结构的相关性方面取得重要进展，近年来先后在APL上发表论文12篇，美国和欧洲陶瓷会志上发表论文30余篇，这些论文的引用次数达2000余次，其中单篇最高引用300余次。
在此基础上，该课题组研发出一种新型无铅材料体系（NN-BT-CT）。与目前文献中普遍研究的无铅材料相比，这种新型无铅陶瓷材料具有无滞后的电致伸缩应变特性，其应变量大、对电场响应快以及无老化等特征，其压电性能在典型的准同型相界附近获得极大提升，表现出优异的热稳定性，有望成为理想的陶瓷驱动器、定位器等候选材料。同时，该研究以严谨的实验数据阐明了这种无铅压电材料组成的准同型本质（如下图所示），为设计和制备新型可实用化的无铅铁电压电陶瓷材料提供了新的研究思路和理论支撑。该项研究同时获得国家自然科学基金重点基金，面上项目和大科学装置联合基金的资助。博士生祁核同学、付健博士参与该项研究相关工作。

论文链接：

http://scitation.aip.org/content/aip/journal/apl/109/2/10.1063/1.4958937

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