通过基于BNT（钡铁钛矿）陶瓷的复合多孔结构（MPB）工程实现高压电常数的宽温度范围平台效应

《Materials Research Bulletin》：Broad Temperature Plateau of High Piezoelectric Constant via Composite MPB Engineering in BNT-Based Ceramics

陶瓷材料通过BNT-7BT与BNT-20BKT复合设计实现高d33（162pC/N）、高 depolarization temperature（195°C）及优异温度稳定性。淬火处理诱导的成分梯度抑制了晶界扩散，同时内建电场补偿了退极化场，有效控制d33波动（≤11.5%）。

　　本研究旨在解决压电陶瓷在高温环境下性能不稳定的问题，特别是针对航空航天等关键领域对材料在宽温度范围内保持一致性能的需求。压电陶瓷因其在能量转换、传感器和执行器等领域的广泛应用而备受关注，然而其在高温条件下的性能退化始终是限制其进一步发展的主要瓶颈。传统上，研究人员通过多种方法尝试提高压电陶瓷的温度稳定性，包括缺陷工程、淬火工艺以及定向结构设计等。然而，这些方法往往伴随着性能的牺牲，例如在提高温度稳定性的同时，压电系数 $ d_{33} $ 会显著下降，从而影响材料的实际应用价值。为应对这一挑战，本研究提出了一种创新的复合陶瓷策略，通过结合具有形态相变边界（MPB）特性的两种二元固溶体——BNT-7BT 和 BNT-20BKT，构建了一种新型的复合体系。该体系不仅保持了高 $ d_{33} $ 值（约 162 pC/N），还有效抑制了高温下 $ d_{33} $ 的波动，将其控制在 ≤11.5% 的范围内，同时将去极化温度 $ T_d $ 提高至 195°C，实现了压电性能、去极化温度和热稳定性的高度平衡。

BNT（铋钠钛氧化物）作为一类弛豫铁电材料，因其复杂的相变行为和极高的剩余极化特性而被认为是实现高 $ d_{33} $ 值的有前景材料。然而，BNT 基陶瓷在高温条件下的稳定性不足，尤其是在经历快速冷却（淬火）后，其性能可能会发生剧烈变化。本研究的核心在于如何通过材料设计策略，在不牺牲 $ d_{33} $ 值的前提下，提高其在宽温度范围内的稳定性。为此，研究人员采用了一种具有化学成分梯度的复合陶瓷结构，利用不均匀扩散机制控制晶界处的元素分布，从而在材料内部形成稳定的畴结构。这种设计不仅有助于维持压电性能，还能够有效减少因高温引起的畴壁混乱现象，提高材料的抗去极化能力。

在实验过程中，研究人员首先通过固相反应法合成了两种关键的二元固溶体：BNT-7BT 和 BNT-20BKT。这些材料分别由不同的化学组分构成，但在结构上具有相似性，便于后续的复合处理。合成过程中，使用了高纯度的 Bi?O?、Na?CO?、TiO?、BaCO? 和 K?CO? 粉末作为起始原料，并经过 24 小时的球磨处理、干燥、筛分和高温煅烧（850°C，6 小时）等步骤，以确保材料的均匀性和稳定性。随后，将两种固溶体粉末按照特定比例混合，通过烧结工艺形成复合陶瓷，并对其进行淬火处理以引入特定的热梯度。这种淬火工艺不仅能够增强材料的去极化温度，还能够通过热梯度诱导的内置电场（$ E_b $）有效抵消去极化电场（$ E_d $）的影响，从而提升材料的热稳定性。

通过系统的性能测试和微观结构分析，研究人员发现，该复合陶瓷在淬火处理后表现出优异的综合性能。首先，在电学性能方面，其 $ d_{33} $ 值保持在较高水平（约 162 pC/N），并且在宽温度范围内波动较小（≤11.5%），显示出良好的温度稳定性。其次，在热稳定性方面，该材料的去极化温度 $ T_d $ 被显著提升至 195°C，这意味着其在高温环境下仍能维持压电性能，不易发生去极化现象。此外，材料的微观结构分析表明，两种组分之间的元素分布呈现出明显的梯度特征，这种梯度结构有助于稳定畴壁，防止高温下畴的无序排列，从而进一步增强材料的热稳定性。

在微观结构研究中，研究人员利用电子探针显微分析（EDS）对复合陶瓷的元素分布进行了详细分析。结果表明，复合陶瓷在晶界处表现出显著的元素不均匀性，尤其是在 A 位阳离子的分布上。这种化学诱导的异质性不仅有助于固定畴壁，还能够减少高温环境下 $ d_{33} $ 的波动。相比之下，单一组分的 BNT-7BT 和 BNT-20BKT 材料在高温下表现出较差的 $ d_{33} $ 稳定性，其性能随温度的变化幅度较大。而通过将这两种材料组合成复合体系，研究人员成功实现了性能的优化，使得材料在高温条件下的压电性能保持稳定，同时避免了传统方法中可能出现的性能下降问题。

在实验设计和材料合成过程中，研究人员特别关注了淬火工艺对材料性能的影响。淬火是一种常见的热处理手段，能够通过快速冷却引入材料内部的热梯度，从而改变其微观结构和电性能。在本研究中，淬火处理不仅能够提升材料的去极化温度，还能够通过热梯度诱导的内置电场有效补偿去极化电场的影响。这种内置电场的形成机制源于淬火过程中产生的温度梯度，它能够促进材料内部电荷的重新分布，从而增强其抗去极化能力。通过调整淬火的温度和时间，研究人员进一步优化了材料的性能，使其在高温环境下表现出更优异的稳定性。

此外，本研究还探讨了复合陶瓷设计对材料性能的潜在影响。传统的复合陶瓷设计通常会导致组分之间的剧烈扩散，从而引发固溶体形成和元素分离等现象。然而，本研究采用的复合策略在一定程度上限制了扩散动力学，使得两种组分之间的元素分布更加可控。这种可控的元素分布不仅有助于形成稳定的微观结构，还能够减少因元素分离引起的性能波动。研究人员通过对比实验发现，相较于单一组分的陶瓷，复合陶瓷在高温下的 $ d_{33} $ 值波动显著降低，且其去极化温度得到了有效提升。这些结果表明，通过合理设计复合陶瓷的组分和结构，可以实现对材料性能的精确调控，从而满足高温应用的需求。

从实际应用角度来看，本研究开发的 BNT-7BT/BNT-20BKT-Q 复合陶瓷具有重要的工程价值。其高 $ d_{33} $ 值和优异的温度稳定性使其能够胜任航空航天、高温传感器和执行器等对材料性能有严格要求的应用场景。同时，该材料的制备过程采用了环保的无铅工艺，符合当前对绿色材料的迫切需求。此外，其性能的可调控性也为进一步优化材料特性提供了广阔的空间。例如，通过调整两种组分的比例或改变淬火工艺参数，可以实现对 $ d_{33} $ 值、去极化温度和热稳定性的进一步优化，以适应不同的应用场景。

本研究的创新之处在于，它首次将具有相似化学成分的两种二元固溶体结合在一起，构建了一种新型的复合陶瓷体系。这种设计不仅克服了传统复合陶瓷在元素分布和性能调控方面的不足，还为解决高温环境下压电陶瓷性能退化的问题提供了新的思路。通过引入化学成分梯度和内置电场机制，研究人员成功实现了对材料性能的精细调控，使得复合陶瓷在保持高 $ d_{33} $ 值的同时，也具备良好的温度稳定性和去极化温度。这些成果不仅为压电陶瓷材料的开发提供了新的方向，也为相关领域的工程应用奠定了坚实的基础。

在实际应用中，这种新型复合陶瓷有望成为高温环境下高性能压电材料的首选。例如，在航空航天领域，设备往往需要在极端温度条件下运行，因此对材料的热稳定性和压电性能提出了更高的要求。而本研究开发的材料正好能够满足这些需求，其在高温下的稳定性能和优异的压电响应使其适用于各种高温传感器和执行器。此外，在能源转换和存储领域，这种材料也可能发挥重要作用，因为它能够在高温环境下保持良好的性能，从而提高相关设备的效率和可靠性。

综上所述，本研究通过结合具有 MPB 特性的两种二元固溶体，并引入淬火工艺和化学成分梯度，成功开发了一种在高温环境下性能优异的复合陶瓷材料。该材料不仅在 $ d_{33} $ 值上保持较高水平，还在温度稳定性方面表现出显著优势。其制备过程环保且可控，为未来高温度稳定性的压电陶瓷材料设计提供了重要的理论依据和技术支持。本研究的成果有望推动压电陶瓷材料在高温应用领域的进一步发展，为相关产业的技术升级和创新提供新的解决方案。