热轧温度和压缩比对B4C–cBN增强铝基复合材料拉伸性能的影响

《Journal of Alloys and Compounds》：Effect of hot-rolling temperature and reduction ratio on tensile properties of B 4C–cBN reinforced aluminum matrix composite

本研究合成了铈掺杂的Pb(Zr0.5Ti0.5)0.7(Zn1/3Nb2/3)0.3O3陶瓷，发现2 mol%铈掺杂的样品具有最佳压电性能，电场应变达0.178%，逆压电系数590 pm/V，低应变滞后10.4%，高温下性能稳定±10%。

　　在极端环境下的执行器和传感器应用中，具有优异热稳定性的高性能压电陶瓷至关重要。这些环境包括航空航天系统和能源勘探平台，它们通常面临高温、高压以及复杂机械应力的挑战。因此，开发能够维持稳定压电性能的材料成为科研和技术发展的关键方向。本研究中，科研团队通过传统固态反应法合成了一系列基于Pb(Zr_0.5Ti_0.5)_0.7(Zn_1/3Nb_2/3)_0.3O₃的陶瓷材料，记为x Ce-0.3PZN-PZT（x = 1–4 mol%）。通过系统的性能测试与结构分析，研究者发现其中2 mol% Ce掺杂的样品表现出最佳的电致伸缩性能，包括在30 kV/cm电场下达到0.178%的高电场诱导应变，以及590 pm/V的逆压电系数，同时具备10.4%的低应变滞后性。这些数据表明，该材料不仅具备优异的压电性能，还展现出良好的热稳定性，其d₃₃值在30°C至230°C的温度范围内仅波动±10%。这种稳定性使得材料在高温环境下仍能保持较高的电致应变输出，从而满足复杂应用场景的需求。

压电材料因其独特的铁电和压电特性，在科学研究和工程应用中扮演着核心角色。这些材料被广泛用于执行器、换能器、传感器以及频率控制设备，如滤波器等。随着高技术产业的快速发展，特别是在可再生能源、航空航天工程和石油勘探等领域，对新一代执行器的需求不断增长。这类执行器需要具备高功率输出、快速响应、高定位精度以及在低电压条件下的稳定运行能力。为了实现这些目标，压电材料必须在保持优异压电性能的同时，具备良好的热稳定性，使其能够在广泛的温度范围内正常工作。目前，基于Pb(Zr_1–xTi_x)O₃（PZT）的陶瓷材料因其在铁电相变边界附近表现出的卓越性能而成为研究重点。在这一区域，材料的极化旋转和畴壁运动能力显著增强，从而带来较高的小信号压电系数（d₃₃）和较大的电场诱导应变。然而，传统PZT材料的热稳定性有限，其居里温度（T_C）通常低于200°C，这限制了其在高温环境下的应用。相比之下，硬型PZT材料虽然具备更高的热稳定性（如PZT-8的T_C约为280°C），但其压电性能则大幅下降，d₃₃值通常只有约210 pC/N。因此，如何在保持压电性能的同时提升材料的热稳定性，成为推动PZT材料进一步发展的核心挑战。

为了解决这一问题，研究者们不断探索新的材料设计策略，特别是通过引入其他铁电成分形成固溶体，以增强PZT材料的性能。例如，BiYbO₃-PZT（BY-PZT）、Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PZT（PMN-PZT）、Pb(Yb_1/2Nb_1/2)O₃-PZT（PYN-PZT）以及Pb(Ni_1/3Nb_2/3)O₃-PZT（PNN-PZT）等复杂系统，均通过调控成分比例来形成铁电相变边界区域，从而实现优异的压电性能。这些系统的特点是能够共存多种铁电相，从而产生一个平坦的自由能景观，有助于极化旋转和极化扩展，这是提高铁电和压电响应的关键机制。在众多的弛豫铁电体（RFE）材料中，Pb(Zn_1/3Nb_2/3)O₃（PZN）因其出色的介电和压电性能而备受关注，特别是在其居里温度接近140°C的情况下。然而，传统的合成方法难以获得纯相的PZN多晶材料，这主要是由于PZN的容忍因子（t）较低，以及其组成阳离子之间的电负性差异较小，这些因素阻碍了所需钙钛矿晶格的稳定。为了解决这一问题，引入PZT作为稳定剂，形成PZN-PZT固溶体，显著提升了材料的相稳定性和电性能。因此，PZN-PZT体系成为高性能压电陶瓷研究的一个重要平台。

在稀土元素掺杂方面，Ce因其与Sm³⁺相似的离子半径和氧化态，能够灵活地在钙钛矿晶格的A位或B位进行取代。这种取代引入了局部的结构异质性，有助于稳定畴结构并提升材料的性能。例如，Ce掺杂在Pb(Zr_0.53Ti_0.47)O₃薄膜中，能够增强铁电极化并降低漏电流密度，从而促进畴壁运动。此外，在Pb(Zr_0.6Ti_0.4)O₃中引入2 mol%的Ce³⁺，可优化介电、铁电和压电性能，但超过这一浓度会导致Ce³⁺离子在晶界处析出并聚集，形成非铁电的夹杂物和散射中心，从而降低材料性能。因此，精确控制掺杂浓度是发挥稀土元素改性作用的关键。在本研究中，科研团队选择了0.3PZN-PZT作为基础材料，因其接近铁电相变边界，能够共存多种铁电相，从而增强电致耦合效应。通过Ce₂O₃掺杂，研究者旨在诱导局部结构异质性，优化相边界，从而调控材料的电致响应性能。

在实验设计方面，科研团队采用了传统的固态反应法来合成x Ce-0.3PZN-PZT陶瓷材料。这一方法具有操作简便、成本较低以及可大规模生产的优势，非常适合用于高性能压电陶瓷的制备。通过系统的性能测试和结构分析，研究者深入探讨了Ce掺杂对材料微结构和电性能的影响。X射线衍射（XRD）分析表明，所有掺杂样品均表现出清晰的钙钛矿型衍射峰，确认了其单相钙钛矿固溶体的形成。值得注意的是，随着Ce含量的增加，(002)和(200)峰的分裂程度逐渐增强，这一现象反映了材料结构的逐步演变。进一步的压电响应力显微镜（PFM）分析揭示了Ce掺杂对材料畴结构的调控作用，特别是其对纳米尺度畴壁运动的促进。这些结构变化与材料性能的提升密切相关，表明Ce掺杂不仅改变了材料的微结构，还通过增强极化旋转和畴壁运动能力，显著提升了其压电性能。

为了全面评估Ce掺杂对材料性能的影响，科研团队进行了系统的电性能测试。在室温条件下，2 mol% Ce掺杂的样品表现出优异的压电性能，其直接压电系数d₃₃为467 pC/N，平面电致耦合因子k_p达到65.4%。这些数值表明，该材料不仅具有较高的电响应能力，还具备良好的电致耦合效率。更进一步，研究者通过高温压电性能测试，验证了材料在广泛温度范围内的稳定性。结果显示，该样品的d₃₃值在30°C至250°C的温度范围内保持在440 pC/N以上，且在30°C至230°C之间仅波动±10%。这种稳定的电性能使得材料能够在高温环境下持续运行，为极端应用提供了可靠的基础。此外，该样品的逆压电系数（d₃₃*）在10 kV/cm电场下达到705 pm/V，而应变滞后性仅为10.4%，这些数据进一步证明了其在高精度传感器和执行器中的潜在应用价值。

研究团队还深入探讨了Ce掺杂对材料性能提升的物理机制。他们认为，Ce³⁺掺杂引起的晶格畸变、缺陷偶极子的形成以及畴壁运动能力的增强，是材料性能改善的关键因素。这些机制共同作用，使得材料在电场作用下能够更有效地进行极化旋转和畴壁迁移，从而实现更高的电致应变输出和更低的应变滞后。同时，Ce掺杂通过引入局部结构异质性，有助于稳定材料的畴结构，使其在高温环境下仍能保持良好的电性能。这一发现不仅为开发高性能压电陶瓷提供了新的思路，也为进一步优化PZT基铁电体系的组成提供了理论支持。

从应用角度来看，Ce掺杂的0.3PZN-PZT陶瓷材料在航空航天、能源勘探和精密仪器制造等领域具有广阔的应用前景。在这些领域中，材料需要在高温、高压和复杂机械应力条件下保持稳定的性能，而Ce掺杂的样品正好满足了这些要求。此外，其较低的应变滞后性和较高的电致耦合因子，使得该材料在高精度传感器和执行器中表现出色，能够实现快速响应和高定位精度。这些特性使其在智能材料、无损检测、微机电系统（MEMS）等高端技术领域中具有重要价值。同时，研究团队在实验过程中采用了先进的分析技术，如扫描电子显微镜（SEM）和压电响应力显微镜（PFM），以深入理解材料的微结构和电性能之间的关系。这些技术手段不仅为材料性能的优化提供了科学依据，也为后续的材料设计和应用开发奠定了坚实的基础。

此外，研究团队还强调了材料合成和性能测试过程中的一些关键因素。例如，Ce₂O₃的掺杂浓度对材料性能具有显著影响，过量掺杂会导致Ce³⁺离子在晶界处析出，从而影响材料的稳定性和性能。因此，精确控制掺杂浓度是确保材料性能达到最佳状态的重要前提。同时，材料的热稳定性与其微结构密切相关，Ce掺杂通过诱导局部结构异质性，使得材料在高温环境下仍能保持较高的压电性能。这一发现为开发具有优异热稳定性的压电陶瓷提供了新的思路，同时也为材料的工程应用提供了重要的参考价值。

从研究方法的角度来看，本研究采用了系统化的实验设计和分析手段，以全面评估Ce掺杂对材料性能的影响。首先，科研团队通过传统固态反应法合成了一系列Ce掺杂的0.3PZN-PZT陶瓷材料，并对其进行了详细的微结构、介电和铁电性能测试。这些测试不仅包括常规的电性能测量，还结合了先进的微观分析技术，如X射线衍射和压电响应力显微镜，以揭示材料结构与性能之间的关系。通过这些手段，研究者能够深入理解Ce掺杂对材料结构的调控作用，并进一步探讨其对电性能的影响机制。此外，研究团队还通过模拟技术分析了材料中畴演化动力学，为理解材料在电场作用下的行为提供了理论支持。

综上所述，本研究通过Ce掺杂成功开发了一种具有优异热稳定性和压电性能的新型陶瓷材料。该材料在高温环境下仍能保持稳定的电性能，其d₃₃值在30°C至230°C的温度范围内仅波动±10%，这一特性使其在极端应用环境中具备良好的适用性。同时，该材料在电场作用下表现出较高的电致应变和逆压电系数，进一步证明了其在高精度执行器和传感器中的应用潜力。研究团队通过系统的实验和分析，揭示了Ce掺杂对材料微结构和性能的调控作用，特别是其对极化旋转和畴壁运动的促进。这些发现不仅为压电陶瓷材料的设计和优化提供了新的思路，也为相关领域的技术发展提供了重要的理论和实践支持。未来，随着对材料性能的进一步研究和优化，Ce掺杂的PZT基陶瓷有望在更多高要求的工程应用中发挥重要作用。