2023年4月7日，西交大李飞教授、悉尼新南威尔士大学Shujun Zhang教授、哈工大常云飞教授等人在最新一期《Science》上发表题为Lead zirconate titanate ceramics with aligned crystallite grains的研究论文，报道了一种优化锆钛酸铅基材料的织构工艺，既改变了固溶体的组成，又使晶体取向以改善压电性能。
//www.science.org/doi/10.1126/science.adf6161
研究简介
压电材料可以对电场作出力学响应，反之亦然，是许多机电传感器的核心元件。作为压电材料之一的锆钛酸铅[Pb(Zr,Ti)O3或PZT]陶瓷，可以通过制造将晶粒沿特定方向排列的纹理陶瓷来增强其压电特性。本文采用新开发的Ba(Zr,Ti)Os微板模板，配合种子钝化工艺制备了PZT陶瓷。该工艺不仅保证了模板诱导的富钛PZT层晶粒生长，而且还通过锆和钛的层间扩散增强了所需的成分。研究人员成功地制备了具有优异性能的织构PZT陶瓷，其居里温度为360°C，压电系数d33为760 皮库仑/牛顿，g33为100毫伏米/牛顿，机电耦合系数k33为0.85。本研究通过抑制PZT粉末和钛酸盐模板之间剧烈的化学反应，实现了制造有纹理的菱形PZT陶瓷。
研究内容解读
本研究开发了一种种子钝化变形工艺(图1A)，其中使用两种不同的浆料进行带铸Pb(Zr0.4Ti0.6)O3粉末(含3 vol % BZT模板)和PZ粉末(无模板)。两个不同的层交替堆叠形成最终的绿带，该绿带旨在保证模板诱导的富Ti层[即Pb(Zro.4Tio.6)O3]中的晶粒生长，同时在烧结过程中通过Zr和Ti在不同层之间的扩散实现所需的MPB成分。为了实现这一变形过程，平衡模板诱导晶粒生长速率和阳离子扩散速率至关重要，以确保模板诱导PZT晶粒生长完成前BZT模板不与PZT粉末发生反应。这些速率主要取决于PZT粉末的粒度、烧结温度和停留时间。基于所提出的方法，研究人员制备了一系列PZ含量高达70%的PZT陶瓷，而目前的极限是~35%。纹理PZT陶瓷的平均晶粒尺寸在22至26 um范围内，具有较高的纹理质量和95%以上的相对堆积密度。
图1 种子钝化变形过程的原理图和实验实现。
图2 PZT 织构陶瓷的微观结构分析。
图3 PZT 织构陶瓷电场诱导应变的机电特性和原位同步加速器 XRD 分析。
图4 织构 PZT 陶瓷机电性能的热稳定性。
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