简易MPB调控实现PNN-PZT陶瓷压电系数d33、机电耦合系数kp与居里温度TC协同提升

《Journal of Materiomics》：Concurrent enhancement of piezoelectric coefficient and electromechanical coupling factor and curie temperature in PNN-PZT ceramics through precise MPB modulation

　　

原文未提供独立摘要，以下为Highlights部分翻译：在未采用复杂掺杂策略的情况下，实现了压电系数（d₃₃）、机电耦合系数（k_p）与居里温度（T_C）的平衡；简易准同型相界（MPB）调控有效激活本征活跃的PNN-PZT（Pb(Ni_1/3Nb_2/3)O₃-PbZrO₃-PbTiO₃）基体；极性纳米区（PNRs）、微畴/宏畴与MPB不稳定性之间的协同作用实现了平衡的压电性能；具有优异的抗疲劳性和温度稳定性；易制备和高可靠性凸显PNN-PZT陶瓷的实际应用潜力。

论文主体解读：压电陶瓷可实现机械能与电能互转换，广泛用于超声、微驱动与能量收集。近年来高性能压电陶瓷设计多强调在准同型相界（MPB）附近进行复杂多组分掺杂以提升单一指标，如压电系数（d₃₃）或机电耦合系数（k_p），但常伴随居里温度（T_C）、介电损耗（tanδ）、工艺复杂性和长期稳定性方面的折衷。因此，除追求单一参数最大化外，发展简易有效策略以实现d₃₃、k_p、T_C与运行稳定性的平衡具有重要意义。研究人员选择本征压电活性较高的PNN-PZT（Pb(Ni_1/3Nb_2/3)O₃-PbZrO₃-PbTiO₃）体系，通过调节0.36PNN-xPZ-(0.64–x)PT中Zr/Ti比（x=0.23–0.27）使组成跨越菱方-四方MPB区域，而不引入复杂掺杂剂。优化组成x=0.26获得d₃₃=608 pC/N、k_p=0.68、T_C=205 °C，并具有良好抗疲劳性和温度稳定性；结构及畴分析表明，多B位无序与MPB调控促进极性纳米区（PNRs）形成以及微畴/宏畴共存，为多性能平衡提供微观基础。该研究表明，选择本征高活性基体并充分挖掘其MPB潜力，可为平衡压电性能提供简易设计路径。论文发表在《Journal of Materiomics》，作者包括Zi’ao Xing、Wei Peng、Chenming Gu、Zhengran Chen、Chenfang Ji、Ruihong Liang。

技术方法概括（≤250字）：采用高温固相法合成0.36PNN-xPZ-(0.64–x)PT（x=0.23、0.24、0.25、0.26、0.27）陶瓷；以X射线衍射（XRD）结合GSAS-II进行Rietveld精修，扫描电子显微镜（SEM）与能谱（EDS）表征微结构和元素分布，拉曼光谱（Raman）分析局域结构，压电响应力显微镜（PFM）观察畴结构；用铁电测试仪记录极化-电场（P–E）和应变-电场（S–E）回线，准静态d₃₃测试仪测d₃₃，阻抗分析仪测相对介电常数（ε_r）与tanδ；开展变温介电、变温铁电/应变及50 Hz、10⁶次疲劳循环测试。无样本队列来源。

研究结果：
1. 性能对比与k_p*指标：通过比较不同体系在相近T_C下的k_p–T_C与k_p*–T_C（k_p*=k_p×d₃₃），发现PNN-PZT在相近T_C下具有更高k_p和k_p*；x=0.26综合性能最佳，说明简单Zr/Ti调控即可将MPB转化为宏观压电响应。
2. 局域结构与铁电畴：Raman光谱显示随x增加若干振动模轻微红移，Rh模间接支持体系处于MPB；Landau自由能图与PFM表明多B位无序和MPB使自由能景观平坦，x增加使畴尺寸减小，x=0.25/0.26出现较小畴，x>0.26过细微畴可能引起畴壁钉扎；畴写入实验显示接近最优MPB时畴反转更完全。
3. 相结构与Rietveld精修：XRD显示随x增加（200）峰分裂减弱并趋于单一峰，体系由四方（T）相向菱方（R）相演化；P4mm相分数降低、R3m相分数增加，多相共存增强极化旋转；c/a趋近1。
4. 微观形貌与致密化：SEM显示平均晶粒尺寸先增后减，x=0.26达3.33 μm；密度随x增加并在x=0.26达7.908 g/cm³；EDS表明Pb、Ni、Nb、Zr、Ti均匀分布且比例接近名义组成。
5. 铁电、应变与逆压电响应：P–E回线饱和，剩余极化（Pr）随x增加，矫顽场（Ec）先降后升；x=0.26时d₃₃和k_p最优；双极/单极应变在x=0.25达峰，逆压电系数（d₃₃*）约737 pm/V；滞后行为与畴切换能垒及微畴数量有关。
6. 疲劳可靠性：x=0.25陶瓷经10⁶次循环后单极应变仅降约4.2%，双极P–E和S–E回线几乎不变，d₃₃降约25 pC/N、k_p降0.01；PNRs和微畴的可逆切换有助于抗疲劳。
7. 介电、弛豫与温度稳定性：变温介电谱呈频率色散和弥散相变，弥散系数（γ）由1.592增至1.814，表明弛豫行为增强；x=0.25在至160 °C范围内Pr变化约5.64%、单极应变变化2.6%、d₃₃*保持>650 pm/V；x=0.26在100 °C时d₃₃较室温增约1.18%、k_p保持约94.13%，二者偏离<6%。

讨论部分总结：原文讨论强调，本征多B位无序与简单MPB调控的耦合促进PNRs及微畴/宏畴共存，使直接与逆压电响应、抗疲劳性和热稳定性获得平衡；材料在室温至约100 °C具实用工作范围，并具高温击穿耐受，面向中温致动、主动传感与能量收集。研究结论翻译：本工作通过简单MPB调控在0.36PNN-xPZ-(0.64–x)PT陶瓷中实现平衡且高的压电性能，未引入复杂掺杂剂。利用PNN-PZT体系本征高压电活性和多B位无序等优势，优化组成（x=0.26）获得d₃₃=608 pC/N、k_p=0.68、T_C=205 °C。Raman光谱、XRD精修、PFM和变温介电分析证实，多B位无序与MPB区域的耦合诱导PNRs以及微畴和宏畴共存；这些结构特征有助于增强直接和逆压电响应，独特的微畴-宏畴结构还赋予体系优异抗疲劳性和热稳定性。作为新兴弛豫-PZT体系，PNN-PZT表现出中等T_C、高d₃₃和高k_p的性能平衡；与传统PZT陶瓷固有性能权衡、许多无铅对应物热稳定性有限以及复杂体系高成本相比，PNN-PZT因本征高压电活性、高刚度和抗疲劳性而具有竞争力，是下一代压电设备的有希望候选者。更广泛地，本工作表明，与日益复杂的组成掺杂策略相比，深入探索和优化本征高性能体系可能为获得优异综合性能提供更具成本效益和可持续的途径。