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为解决弛豫铁电陶瓷实现高温度变化（ΔT）与宽工作温度范围的挑战，西安交通大学等机构研究人员对 BaTiO?-xKNbO?体系开展成分调控与晶粒取向工程研究，获最大 ΔT 3.9K，ΔT 在 30-80°C 内波动≤±10%，为电热制冷器件设计提供新方向。
在全球倡导绿色低碳技术的背景下，传统基于蒸汽压缩循环的制冷技术因高 CO?排放亟待革新。电热制冷作为替代方案，核心在于极化材料的性能突破。弛豫铁电陶瓷虽因高电热效应和宽温区特性被视为理想候选，但其同时实现高温度变化（ΔT）与宽工作温度范围的瓶颈，严重制约了实际应用。如何通过材料设计优化介电常数、极化响应与温度稳定性，成为学术界和工业界共同关注的焦点。
为攻克这一难题，西安交通大学电子材料研究实验室联合澳大利亚伍伦贡大学等机构的研究团队，针对 BaTiO?-KNbO?（BT-KN）固溶体体系展开深入研究。团队通过精准调控成分与晶粒取向，成功开发出高性能 <111>?织构弛豫铁电陶瓷，相关成果发表于《Nature Communications》。该研究不仅为电热制冷材料的设计提供了新范式，更有望推动下一代环保制冷技术的革新。
研究人员主要采用以下关键技术方法：
- 模板晶粒生长（TGG）技术：通过拓扑化学合成法制备（001）和（111）? BaTiO?模板，引导 BT-KN 陶瓷晶粒定向生长，获得 <001> 和 < 111>?织构陶瓷。
- 相结构与介电性能表征：利用 X 射线衍射（XRD）、电子背散射衍射（EBSD）和介电温谱分析，确定相组成、晶粒取向及介电常数随温度的变化规律。
- 电卡效应测试：通过热流传感器与高压放大器联用，测量不同电场下的温度变化（ΔT）和熵变（ΔS），评估材料的电热性能。
研究结果
成分调控与相结构优化
通过调节 KNbO?含量（x=0.015-0.085），团队发现当 x=0.045 时，BT-KN 陶瓷在室温附近形成遍历性与非遍历性弛豫态的交叉区域，实现了介电常数峰值温度（T?≈32°C）与宽温区介电响应的平衡。XRD 结果显示，该成分下陶瓷呈现菱方相 - 立方相（R-C）共存，伴随极化滞后降低和极化变化（ΔP）稳定，为高电卡效应奠定基础。
晶粒取向对电卡性能的影响
对比随机取向、<001> 和 < 111>?织构陶瓷发现，<111>?织构样品在 50°C 时展现最大 ΔT=3.9K，ΔS=5.5 J?kg?1?K?1，且 ΔT 在 30-80°C 范围内波动≤±10%。EBSD 和 SEM 分析表明，<111>?取向晶粒通过单畴极化机制减少滞后损耗，同时降低电致伸缩应变，提升了材料的稳定性和击穿场强。
与其他电热材料的性能对比
相较于近期报道的无铅电热陶瓷，<111>?织构 BT-KN 陶瓷在室温附近的 ΔT 和工作温区表现出显著优势。例如，其 ΔT 较随机取向样品提升 11%，且温区覆盖电子热管理和民用制冷的典型需求范围（30-80°C），显示出更强的实际应用潜力。
结论与意义
本研究通过成分调控与晶粒取向工程的协同策略，成功优化了 BT-KN 弛豫铁电陶瓷的电卡性能，突破了高 ΔT 与宽温区难以兼得的瓶颈。研究发现，菱方 - 立方相界附近的交叉极化态与 <111>?织构的结合，可最大化极化变化（ΔP）并抑制滞后损耗，为电热材料设计提供了 “相界调控 + 织构优化” 的双重路径。
该成果不仅推动了无铅铁电材料在固态制冷领域的应用，也为其他功能陶瓷的多场性能优化提供了方法论借鉴。未来，通过规模化织构技术、热界面优化与循环耐久性提升，有望加速电热制冷器件的商业化进程，助力实现 “双碳” 目标下的绿色制冷技术变革。
