高性能压电陶瓷的能量转换系数与居里温度协同优化材料设计

压电陶瓷在能量收集和触觉设备中面临高能量转换常数(d33×g33)与高居里温度(TC)、机械品质因数(Qm)难以兼顾的难题。韩国材料研究院团队通过调控PZT-PMNN体系组分与掺杂策略，开发出兼具优异性能(d33=393 pC/N，Qm=1560，TC=295℃)和超高能量转换效率(13.3×10-12 m2/N)的新型材料，为下一代压电器件提供了突破性解决方案。

　　

在智能传感与能量回收领域，压电陶瓷犹如"机械-电能转换器"，能将环境中无处不在的振动能转化为电能。然而现有材料面临"鱼与熊掌不可兼得"的困境：追求高能量转换效率(d₃₃×g₃₃)往往需要增加弛豫剂(relaxor)含量，但这会牺牲材料耐温性(居里温度T_C)和机械稳定性(机械品质因数Q_m)。韩国材料研究院团队在《Sensors and Actuators A: Physical》发表的这项研究，犹如为这个难题开出一剂"调和处方"。

研究团队采用固相反应法合成(1-x)Pb(Zr,Ti)O₃-xPb[(Mg_0.5Ni_0.5)_1/3Nb_2/3]O₃体系陶瓷，通过X射线衍射分析晶体结构，扫描电镜观察微观形貌，阻抗分析仪测量压电性能，LCR表测试介温特性。特别针对PMNN含量(x=0.1-0.2)、掺杂剂(Li₂CO₃/Fe₂O₃/MnO₂)和过量PbO等参数进行系统优化。

【3.1 高d₃₃×g₃₃设计策略】

通过相图分析发现，将材料控制在准同型相界(MPB)附近可获得最佳压电性能。当PMNN含量从10%增至20%时，压电常数d₃₃从311 pC/N提升至368 pC/N，但介电常数仅增长6%，使得d₃₃×g₃₃从8.9×10^-12显著提升至11.7×10^-12 m²/N。

【3.2 Q_m优化机制】

Mn⁴⁺掺杂位置的选择至关重要。XRD证实Mn⁴⁺优先占据Nb₂O₆八面体位点而非TiO₆位点，这种选择性掺杂使PZT-0.2PMNN的Q_m从724跃升至1560，远超传统硬性掺杂效果。

【3.3 综合性能突破】

添加0.1wt%过量PbO后，材料密度和性能进一步提升：d₃₃达393 pC/N，机电耦合系数k_p为0.69，T_C保持在295℃。这创造了目前报道中硬性PZT基陶瓷的最佳综合性能记录——能量转换效率13.3×10^-12 m²/N，同时烧结温度降低至950℃，有利于降低制造成本。

这项研究不仅提供了具体材料配方，更建立了普适性设计准则：通过精确控制弛豫剂含量在20%以内保障T_C；利用Mn⁴⁺在Nb位点的选择性掺杂提升Q_m；优化介电常数与压电常数的协同关系实现d₃₃×g₃₃最大化。这种"性能平衡术"为开发新一代能量收集材料和触觉反馈器件开辟了新路径，特别是在需要高功率输出和高温稳定性的工业场景中具有重要应用前景。