《Physica B: Condensed Matter》：Compaction-dependent piezoresistive properties of AZO pellets for structural sensing applications
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•压制控制多孔AZO压片的压阻响应。•致密化改变了孔隙率、颗粒间接触和电输运特性。•等效电路分析表明晶粒和晶界均有所贡献。•杨氏模量随压片致密化程度增加而增大。•AZO压片在低刚度基体结构中展现出传感潜力。引言掺铝氧化锌（AZO）是一种导电氧化物，因其半导体行为、化学稳定性、
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压制控制多孔AZO压片的压阻响应。
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致密化改变了孔隙率、颗粒间接触和电输运特性。
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等效电路分析表明晶粒和晶界均有所贡献。
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杨氏模量随压片致密化程度增加而增大。
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AZO压片在低刚度基体结构中展现出传感潜力。
引言
掺铝氧化锌（AZO）是一种导电氧化物，因其半导体行为、化学稳定性、低毒性和与其他导电氧化物相比的低制造成本而受到广泛研究[1]、[2]。铝掺入ZnO晶格中可提高自由载流子浓度，在保持ZnO固有性质的同时改善电导率[3]。由于这些特性，AZO已在透明电极、气体传感器、光电器件、压电系统和能源相关技术等领域得到广泛研究[4]、[5]、[6]、[7]。此外，ZnO基材料因其纤锌矿晶体结构而表现出机电耦合特性，这促使人们探索其在压力传感和压阻应用方面的潜力[8]、[9]、[10]、[11]。然而，致密AZO陶瓷通常具有高刚度和相对刚性的力学行为，当集成到结构传感环境中时，会限制其对微小机械变形的灵敏度[12]。此外，传统的块体陶瓷加工路线通常需要高温和高度控制的致密化过程，增加了制造复杂度并降低了其对低成本大面积传感系统的适应性。
尽管存在这些局限性，近期的研究表明，AZO及相关ZnO器件的功能性能可以通过成分、形貌、厚度和界面工程进行调节。磁控溅射AZO薄膜随着Al含量增加而表现出改善的电学性能，但光学透明度降低[13]。旋涂AZO多层膜也被用作一维光子晶体，通过沉积参数可调节其阻带范围，覆盖从蓝到红的谱段[14]。在光探测方面，透明AZO基金属-半导体-金属器件相比未掺杂ZnO展现出增强的紫外响应度[15]，而Ag纳米颗粒修饰的AZO/p-Si异质结则通过等离子体增强光吸收和改变化学界面载流子输运实现了进一步提升[16]。相关的ZnO薄膜和纳米结构作为表面声波器件的压电层[17]以及依赖形貌的电阻层用于丙酮传感[18]也已被研究。更直接的是，据报道AZO和掺氟ZnO薄膜压阻应变计的压阻系数分别为8.5和12.7[19]、[20]。总之，这些研究表明氧化物器件性能强烈依赖于制造工艺引起的电荷输运和微观结构变化。然而，大多数已报道的器件基于支撑薄膜或纳米结构化异质结。相比之下，自支撑颗粒状AZO压片受到的关注较少，在这种结构中压制控制着孔隙率、颗粒间接触和压阻行为。
在此背景下，颗粒状和多孔陶瓷材料日益受到关注，因为其物理性质可通过控制颗粒堆积、孔隙率和晶间连通性进行调节[21]、[22]、[23]。粉末压制和烧结工艺提供了一种相对简单且可规模化的路线，用于制造具有可控电学和力学响应的多孔器件[24]。与致密块体陶瓷不同，压制颗粒体系的输运机制强烈受晶界、接触电阻和分布式导电通路控制，在外部载荷下可产生增强的机电灵敏度[25]、[26]。包括放电等离子烧结、冷压成型、流延成型和常规热烧结在内的多种制造策略已被用于制备ZnO基多孔结构，应用于传感和功能陶瓷领域[27]、[28]。然而，尽管这些方法具有通用性，压制诱导的致密化、晶间输运和压阻行为之间的关系仍未被充分理解，特别是在多孔AZO颗粒网络中，电传导和机械变形同时由相同的连接结构控制。
多孔和颗粒状半导体材料也已被探索用于结构传感应用，因为它们能够将机械变形转换为可测量的电信号。与传统的金属应变片相比，颗粒状陶瓷传感器可提供更高的压阻系数、更好的热稳定性，并通过压片状几何形状更简单地集成到基体材料中[29]、[30]、[31]。特别是，压阻材料可直接嵌入混凝土或聚合物系统等结构部件中，实现局部应力监测而无需复杂的微加工过程[20]、[32]。先前的ZnO陶瓷研究报告称，其力学性能与致密ZnO存在显著差异，而电阻可根据晶粒连通性和缺陷密度变化数个数量级[33]。这些条件使颗粒状AZO体系成为结构传感环境中的有吸引力平台，其中接触网络的变形可以强烈调节电输运行为。这些效应的组合可应用于智能建筑，以检测地震活动并防止结构失效。
在本工作中，我们研究了通过粉末压成型和热烧结制备的AZO压片的压制依赖性压阻特性，以应用于结构传感。采用不同的压制载荷来控制多孔陶瓷网络的致密化和晶间连通性。该方法制备了具有不同堆积密度的压片，从而评估了压制压力对最终微观结构和传感性能的影响。所得样品通过形态学、纹理、结构、电学和力学分析进行表征。定量SEM图像分析和气吸附测量用于评估孔隙率变化，而等效电路分析提供了关于颗粒结构中电输运的见解。在直接压缩和将压片嵌入木材和混凝土样品后评估了压阻响应。结果表明，压制引起的颗粒堆积和颗粒间接触变化影响了压片的力学、电学和压阻性质。结果表明，压片的压阻响应强烈受压制诱导的晶间接触网络控制，为多孔陶瓷应力传感器的开发提供了一种简单策略。
章节摘要
样品合成
商用AZO陶瓷材料（纯度99.999%；江苏宜兴Maideli先进材料公司）在玛瑙研钵中手工研磨20分钟以获得均匀的细粉末。将粉末分成1克份，在150°C下干燥30分钟。每份在内径10毫米的不锈钢圆柱模具中进行单轴压制。施加624.3、749.2和874.0 MPa的压制压力，对应5、6和7吨力，
形态学和纹理表征
图3展示了在不同载荷下压制的AZO压片在不同放大倍数下的SEM显微图像。在低放大倍数下（图3a–c），所有样品均表现出异质且粗糙的表面，压密条件之间无明显形貌差异。在中放大倍数下（图3d–f），微观结构由团聚颗粒组成的多孔颗粒网络构成，其中颗粒间接触定义了材料的结构框架。然而，
讨论
AZO压片的杨氏模量值约为0.99至1.23 GPa，远低于致密AZO陶瓷通常报道的120±20 GPa。这一差异表明，其力学响应主要由多孔颗粒微观结构控制，而非AZO晶格的固有刚度。相对较低的模量表明变形主要通过颗粒重排和颗粒间接触的变化发生
结论
通过粉末冶金方法，通过改变初始压制载荷成功合成了AZO压片，制备出具有可调节机电性能的机械稳固多孔陶瓷器件。结果表明，压制条件在定义AZO压片的电学和力学行为方面起关键作用。形态学和纹理分析揭示了具有不同相对密度的高度多孔颗粒结构的形成
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致谢
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