氧空位工程调控(K,Na)NbO3基压电陶瓷的位错初始塑性及蠕变行为：纳米压痕揭示的强化增韧机制

本研究通过CuO"硬掺杂"引入氧空位，系统探究了氧空位对(K0.5Na0.5)NbO3基陶瓷（KNLNST-xCuO）位错行为的影响。纳米压痕实验结合DFT计算表明，氧空位通过降低Peierls应力和错配能促进位错成核，同时通过溶质强化和钉扎效应阻碍位错运动，实现了强度（硬度提升至7.774 GPa）与韧性（断裂韧性提高16.5%）的协同优化，为压电陶瓷的力学性能设计提供了新思路。

　　

在功能陶瓷领域，(K,Na)NbO₃（KNN）基压电陶瓷因其优异的无铅压电性能备受关注，但传统烧结过程中不可避免产生的氧空位与位错的相互作用机制尚不明确。金属材料中位错可显著提升力学性能，而陶瓷材料由于强离子/共价键作用，位错运动受限。近年研究发现KNbO₃和SrTiO₃单晶中位错可增强断裂韧性，但多晶陶瓷中氧空位对位错行为的影响仍是未解之谜。

为解决这一问题，国内某研究机构的研究团队通过Cu²⁺替代B位高价阳离子的策略，在[(K_0.43Na_0.57)_0.94Li_0.06][(Nb_0.94Sb_0.06)_0.95Ta_0.05]O₃（KNLNST）陶瓷中构建了可控氧空位浓度梯度（x=0-2.0 mol% CuO）。通过XPS和EPR证实氧空位浓度在0.3 mol% CuO时达到峰值（O_v/(O_L+O_v)=10.1%）。纳米压痕测试结合理论计算揭示了氧空位通过"双刃剑"机制调控力学性能：在初始塑性阶段促进位错成核，在后续变形阶段阻碍位错运动。该研究发表于《Nature Communications》，为功能陶瓷的力学性能优化提供了新范式。

关键技术方法包括：1）阵列化纳米压痕排除宏观缺陷干扰；2）基于Hertz接触理论计算最大剪切应力τ_max和激活体积V*；3）密度泛函理论（DFT）计算Peierls应力和总错配能；4）iDPC-STEM直接观测氧空位分布；5）三点弯曲和维氏压痕分别测试宏观弯曲强度和断裂韧性。

氧空位浓度表征
XPS和EPR分析显示氧空位浓度随CuO掺杂呈先增后减趋势，0.3 mol% CuO样品具有最高氧空位浓度。

位错成核与激活
纳米压痕突跳测试表明，氧空位使τ_max从7 GPa降至6.5 GPa，激活体积V*从8.62 ?³降至5.67 ?³，成核速率提升2.75倍。DFT计算揭示氧空位使Peierls应力从324.35 MPa骤降至27.18 MPa，错配能从342.2×10^-11 J/m降至337.2×10^-11 J/m。

位错运动阻碍
氧空位使硬度从6.2 GPa提升至7.774 GPa（0.3 mol% CuO），蠕变应力指数n从33.55增至60.78。TEM观察到氧空位在位错线附近的偏聚，验证了溶质拖拽和钉扎效应。

宏观力学性能
最优组KNLNST-0.3CuO的断裂韧性达2.12 MPa·m^0.5（提升16.5%），弯曲强度达226.3 MPa（提升24.2%），同时保持优异电学性能（Q_m提升，tanδ降低）。

该研究首次系统阐明了氧空位在多晶压电陶瓷中对位错行为的阶段性调控机制：在初始阶段通过降低能量势垒促进位错成核，在变形阶段通过静电排斥和钉扎效应阻碍位错运动。这种"先促后抑"的双重作用机制不仅适用于KNN基陶瓷，还可推广至SrTiO₃等其他钙钛矿功能材料，为开发兼具优异力学和电学性能的功能陶瓷提供了理论依据。研究采用的"氧空位工程"策略突破了传统掺杂方法的局限，通过缺陷协同调控实现了材料性能的多目标优化。