电介质材料是一类重要的功能材料, 从5G/6G通信的高速传输到智能传感器的精准感知, 都离不开电介质材料独特的介电、压电与铁电特性。随着材料设计从宏观尺度深入到原子层面, 性能优化从经验积累转向数据智能驱动, 电介质材料研究领域已迈入新阶段。

通过精确调控电介质材料中的晶体缺陷、畴结构和界面特性, 可以使电介质材料性能获得进一步突破。例如, 采用织构化技术显著提升了铅基压电陶瓷的性能; 通过调整Ruddlesden-Popper结构的维度发现了新型铁电态; 微波介质陶瓷在保持介电常数的同时提高了温度稳定性, 为高频器件发展提供了新可能。这些研究进展表明, 材料微结构的精确设计和多维度调控已成为电介质材料发展的主要方向之一。

本专刊汇集了国内电介质材料领域的最新研究成果。王轲研究员和李飞教授分别从不同角度深入剖析了铅基织构压电陶瓷的进展; 刘小强教授详细解析了Ruddlesden-Popper结构铁电体的非常规铁电性物理机制; 李恩竹教授通过P-V-L键理论, 为微波介质陶瓷的性能优化提供了分子层面的设计指导; 周迪教授重新评估了Ba(Nd_1/2Nb_1/2)O₃陶瓷的价值; 李玲霞教授则在MgNb₂O₆陶瓷太赫兹介电性能方面有了新的突破, 推进了微波介质陶瓷的研究进展。

在具体技术突破方面, 方亮教授发现了Rattling效应新机制, 为改善微波介质陶瓷的温度稳定性提供了新的思路; 雷文研究员和张博研究员分别采用离子掺杂策略提升了微波介质陶瓷的性能; 朱建国教授和周志勇研究员分别通过自掺杂策略, 提升了无铅压电材料的性能; 汪尧进教授通过调控相界与畴工程, 优化了PZT基陶瓷的压电性能, 进一步验证了“结构决定性能”的基本规律。

制备技术和表征方面的进展同样值得关注。郑木鹏团队总结的低温烧结技术, 以及刘志甫研究员和马名生研究员开发的复合氧化物烧结助剂, 都有效降低了陶瓷的烧结温度; 温峥教授与许钫钫研究员分别利用压电力显微镜(PFM)与电子能量损失谱(EELS)技术, 分析了超薄膜的弛豫特性与多层陶瓷电容器(MLCC)元素的精准结构, 为微型化电介质器件的研发奠定了基础。这些突破不仅推动了科研成果的产业化, 也为开发新型、高性能材料体系提供了支持。

展望未来, 电介质材料将呈现三个主要发展趋势: (1) 理论研究将由经验模型转向多尺度计算, 结合机器学习实现材料设计的智能化; (2) 材料性能研究将由单一特性向光电-力-热多场耦合发展, 开发出具有环境适应能力的新型材料; (3) 制备技术将从宏观加工迈向原子级制造, 通过外延生长、拓扑组装等技术制造新型功能材料。这些技术将推动电介质材料在量子计算、太赫兹通信、人形机器人等领域发挥关键作用。

最后, 向所有致力于电介质材料研究的科研工作者致敬。期待通过学科交叉与产学研合作, 电介质材料领域能持续产出创新成果, 为科技进步和社会发展作出更大贡献。

铅基织构压电陶瓷因其制备成本远低于单晶且性能显著高于非织构压电陶瓷, 被视为最有潜力的锆钛酸铅多晶陶瓷替代者, 成为近年来材料领域的重点研究课题。基于过去数十年的研究进展, 本文详细介绍了铅基织构压电陶瓷的生长原理与表征方法、模板的制备工艺与铅基织构压电陶瓷制备过程中的关键工艺, 进而全面汇总了具有代表性的铅基织构压电陶瓷研究成果, 讨论了不同改进策略的特点。从材料配方的角度来看, 三元体系与二元体系织构压电陶瓷的各组分比例通常选择在相界处, 使各极性态在外电场下较易翻转, 进而获得高压电系数(d₃₃)。虽然两种体系的d₃₃接近, 但三元体系的居里温度普遍高于二元体系, 体现出更高的应用价值。从烧结等制备工艺的角度看, 添加助烧剂可以显著促进晶粒定向生长, 后退火处理可以消除晶界和孔洞缺陷内的杂相, 淬火处理可以使电偶极子从无序状态中固定。这些改善工艺都显著增强了铅基织构压电陶瓷的性能。最后, 本文分析了目前存在的问题与发展的挑战, 认为模板与基体材料的晶格参数和B位离子价态的差异是限制铅基织构压电陶瓷性能提升的主要原因, 针对不同基体材料定制匹配性好的模板将有助于进一步改善其性能。

压电材料是一种重要的信息功能材料, 能够实现机械能与电能之间的相互转化。近年来, 织构压电陶瓷技术已经成为研发新一代高性能压电材料的重要途径。通过调控晶粒的取向排布, 织构压电陶瓷表现出类似压电单晶的优异压电性能和机电性能, 并具有良好的温度稳定性。同时, 作为多晶陶瓷, 织构陶瓷保留了传统陶瓷材料的制备加工简单、机械性能良好及适用共型异形等优点。本文围绕钛酸铅(PbTiO₃, PT)基压电材料体系, 从织构压电陶瓷制备技术、织构用籽晶模板以及织构压电陶瓷技术的发展历程和研究现状等方面, 对相关研究结果进行系统梳理, 总结织构压电陶瓷技术优势。在此基础上, 分析了铅基织构压电陶瓷的模板筛选理论、织构陶瓷微观结构和宏观性能之间的构效关系, 以及基于织构压电陶瓷的压电器件开发等方面存在的科学难题和未来挑战。本文旨在全面介绍织构压电陶瓷技术和理论, 帮助研究者深入认识织构压电陶瓷技术, 推动高性能压电陶瓷研发和制备技术发展, 进而助力我国高端压电器件的创新和跨越发展。

杂化非常规铁电性(Hybrid Improper Ferroelectricity, HIF)指的是在含钙钛矿结构单元的化合物中, 通过阴离子八面体面内旋转和面外倾侧耦合而产生的二阶铁电序。HIF有望在强磁电耦合多铁性材料中获得重要应用, 并极大地拓展铁电体物理学的内涵和外延。本文总结了Ruddlesden-Popper(R-P)结构HIF的实验研究进展, 建立了双层R-P结构铁电体的居里温度(T_C)和许容因子(τ)之间的线性关系, 并阐述其HIF物理起源。基于HIF的内禀电控磁性, 在双层R-P铁氧体中观察到室温极性相和弱铁磁相共存, 这一发现具有重要的科学意义。此外, 在A位离子有序三层R-P氧化物中报道的铁电性显著拓宽了HIF的研究广度和深度。尽管R-P结构的HIF的研究已取得显著进展, 但在新材料体系和单相多铁性材料探索方面仍需进一步努力。

目前通信技术的飞速发展对介质陶瓷滤波器提出了越来越严苛的要求, 如何高效设计新的介质材料以推动其发展意义重大。材料结构与性能之间的关系对于微波介质陶瓷的合成与设计至关重要。P-V-L键理论旨在通过计算提供晶体结构参数和基本化学键特征, 例如化学键的键离子性、键共价性、键敏感性、晶格能、键能等, 这些参数为微波介质陶瓷的改性设计提供了理论基础和指导。近年来, 研究人员致力于将P-V-L键理论运用到众多陶瓷体系中, 解释微波介质陶瓷结构与性能之间的关系, 并以此理论为基础提出新的改性策略, 从而获得优异的微波介电性能。本文详细介绍了P-V-L键理论的基本概念和复杂多晶的二元键合公式, 概述了该理论在微波介质陶瓷领域中针对化学键参数和化学键特征的计算方法, 同时分析了近年来P-V-L键理论在几类常见微波介质陶瓷体系中的应用。通过P-V-L键理论分析可以提供离子掺杂改性体系中的键特征、结构演变和介电性能, 这对于微波介质陶瓷的发展和应用具有重要意义。

Pb(Zr,Ti)O₃(PZT)陶瓷以其优异的压电、铁电和热释电性能, 在国防、医疗、通信及能源转换等领域发挥着至关重要的作用。然而PZT陶瓷的烧结温度通常超过1200 ℃, 这不仅能源消耗高, 还会造成PbO大量挥发, 使PZT陶瓷偏离化学计量比而影响其电学性能。此外, 压电叠层器件的迅速发展还进一步要求PZT陶瓷能与成本较低的金属电极在低温下进行共烧。针对上述问题, 研究人员对PZT压电陶瓷的低温烧结进行了深入研究, 将PZT陶瓷的烧结温度降低至1000 ℃以下。本文从PZT陶瓷的结构特点、物理性能出发, 对低温烧结技术在PZT陶瓷领域的研究现状进行了综述, 基于低温烧结原理介绍了特种烧结技术(放电等离子体烧结、热压烧结和冷烧结)和引入助烧剂(形成固溶体、液相烧结和过渡液相烧结)的低温烧结现状, 系统总结了上述烧结技术对PZT压电陶瓷微观结构和电学性能的影响规律。针对引入助烧剂导致电学性能劣化的问题及可能的解决途径进行了探讨, 并对PZT陶瓷低温烧结技术的发展趋势进行了展望。

微波介质陶瓷是电子通信领域中不可或缺的材料, 尤其是在高频通信领域。因其独特的介电特性, 如高相对介电常数ε_r、低介质损耗和接近零的谐振频率温度系数τ_f, 而被广泛应用于微波谐振器、滤波器、振荡器等微波元器件中。本研究制备了一种具有中介电常数的Ba(Nd_1/2Nb_1/2)O₃(BNN)陶瓷, 通过X射线衍射(XRD)和Rietveld精修确认其为单斜晶系, 空间群为C12/m1。随着烧结温度的升高, 陶瓷的密度先增大后减小, 其体积密度(ρ_obs)和相对密度(ρ_rel)在1550 ℃烧结时达到最大值, 分别为6.32 g/cm³和98%。在1525 ℃烧结时, 陶瓷展现出最佳的微波介电性能: ε_r=38.44, 品质因数Q×f=25400 GHz, τ_f=-6×10^-6 ℃^-1。值得注意的是, 与文献研究报道的11700 GHz相比, 本研究制备的BNN陶瓷的Q×f提升了117%, 这表明BNN陶瓷的微波介电性能可能因测试方法、原料性质及制备工艺等因素而被低估。此外, 利用这种陶瓷材料设计并仿真了一款全介质频率选择表面(Frequency Selective Surface, FSS), 其相对带宽约为23.3%, 显示出优异的选频性能。BNN陶瓷的上述特性不仅显示了其在微波介质陶瓷材料中的潜力, 而且其在FSS仿真中的出色表现也进一步被证实是一种被低估的微波介质陶瓷材料。

MgNb₂O₆陶瓷具有烧结温度适中和介电损耗低等优点, 在无线通信领域有着广泛的应用。随着6G通信技术研发工作的开展, 通信频率将从微波频段迈向太赫兹频段。MgNb₂O₆陶瓷应用于太赫兹通信器件中可有效降低插入损耗, 增大相对带宽, 提高增益。然而, 目前仍缺乏关于MgNb₂O₆结构与太赫兹介电性能关联机制的深入研究。针对上述问题, 本研究采用固相反应法制备了MgNb_2-x(Ti_0.5W_0.5)_xO₆(x=0~0.03)陶瓷。采用Rietveld精修、复杂化学键理论和太赫兹时域光谱等分析手段研究了MgNb_2-x(Ti_0.5W_0.5)_xO₆(x=0~0.03)陶瓷的晶体结构与太赫兹介电性能之间的关联机制。基于上述分析手段, 在单相MgNb₂O₆体系中引入整体不稳定性指数表征晶格内应变, 建立了晶格内应变以及晶格能与太赫兹介电损耗的关联机制。研究结果表明, 掺入的(Ti_0.5W_0.5)⁵⁺离子可修饰晶体结构, 随着掺杂量增加, 减小了内应变, 增加了晶体结构的稳定性, 增大了晶格能, 进而降低了介电损耗。此外, 原子堆积密度随(Ti_0.5W_0.5)⁵⁺离子掺杂量增加而增大, 这意味着离子间排列更加紧密, 从而有效抑制了晶体的非简谐性振动, 进一步降低了介电损耗。最终, 1340 ℃烧结的MgNb_2-x(Ti_0.5W_0.5)_xO₆(x=0.03)陶瓷具有优异的太赫兹介电性能: 介电常数(ε_r)为19.32, 介电损耗为0.003(@0.30 THz), 吸收系数为1.64 cm^-1(@0.30 THz)。本研究制备的MgNb_2-x(Ti_0.5W_0.5)_xO₆(x=0.03)陶瓷在太赫兹器件中具有良好的应用前景。

微波介质陶瓷是5G/6G通信技术中关键的基础材料, 具有高品质因数(Q×f)、低介电常数(ε_r)以及近零谐振频率温度系数(τ_f)的材料逐渐成为研究与开发的重点。然而, 绝大多数低ε_r材料往往具有较负的τ_f。本研究首先系统概述了影响τ_f的经典机制, 包括离子极化率稀释机制、相变机制、晶胞体积机制、氧多面体畸变度、键能与键性以及键价等结构因素。随后, 详细介绍了本团队近期在无相变立方正反石榴石体系中观察到的τ_f异常变化现象, 提出“Rattling”效应是一种影响微波介质陶瓷τ_f的新机制。具有高配位数且弱化学键合的“Rattling”阳离子是影响材料整体微波介电极化和损耗的主要因素, 它不仅增大离子极化率和ε_r, 还导致τ_f正向偏移, 同时降低Q×f。该机制在不同材料体系中得到验证与应用。本研究引入了总离子极化偏差的加权函数新概念, 用于评估整个分子“Rattling”和“Compressed”效应对ε_r的影响, 并提出了离子极化率温度系数(τ_αm)新概念, 通过定量化计算从而将影响介电常数温度系数(τ_ε)正负和大小的因素简化为ε_r、τ_αm和线膨胀系数α_L之间的关系。

铁电材料中的极化拓扑畴结构具有丰富的物理特性, 在新型微纳电子器件领域展示出广泛的应用前景。设计与调控铁电拓扑畴的形态是实现其器件化应用的基础。本工作系统地研究了生长条件对铁酸铋(BiFeO₃, BFO)薄膜弯曲隆起形成的纳米岛内中心型极化拓扑畴形态的影响机制。实验结果表明, 中心型拓扑畴的形成与底层钌酸锶(SrRuO₃, SRO)电极纳米岛、纳米岛尺寸、BFO外延生长的温度与沉积厚度紧密相关。当电极纳米岛横向尺寸介于300~500 nm时, 后续BFO薄膜生长隆起并诱导形成纳米岛, 同时也诱导形成四象限中心型拓扑畴构型。随着电极纳米岛高度逐渐增加, 铁电纳米岛的畴结构从薄膜的条带畴转变为中心型拓扑畴; 当电极直径大于500 nm时, 中心畴会转变为之字形畴壁的构型, 表明形貌隆起带来的挠曲电效应对拓扑畴形成具有重要作用。在特定参数范围内(生长温度690~730 ℃, BFO厚度30~60 nm), 提高生长温度有利于形成完整四象限中心型拓扑畴, 也进一步说明薄膜缺陷、畴壁能与挠曲等多种因素协同作用机制。同时, 这种中心型拓扑畴可以通过外场调控翻转, 并诱导高/低导电态切换, 为开发基于极化拓扑电子器件奠定基础。

弛豫铁电体因其卓越的介电和压电特性, 在传感器、光电器件、高密度存储器、类脑计算等领域展现出广泛的应用潜力。然而, 纳米尺度超薄膜的弛豫特性研究受到严重漏电流的限制, 基于Sawyer-Tower电路和Positive-Up-Negative-Down(PUND)脉冲波形的测试方法存在显著挑战。本研究提出了一种基于压电力显微镜(Piezoresponse Force Microscopy, PFM)的测试方法, 来研究纳米尺度弛豫薄膜的极化特性。以Pb(Mg,Nb)O₃-PbTiO₃ (PMN-PT)超薄膜为例, 比较了不同厚度的PMN-PT弛豫薄膜与铁电Pb(Zr,Ti)O₃(PZT)薄膜在双频追踪PFM (DART-PFM)测量中On-field和Off-field两种模式下的极化回滞行为。通过调节PFM回线测量中的用于极化读出的交流信号电压振幅, 系统表征了纳米厚度PMN-PT薄膜的弛豫特性。进一步对不同面内应变和厚度的PMN-PT超薄膜进行PFM测试, 发现在较大压缩应变(3.19%)下, 弛豫特性被抑制, 表现出显著的铁电特性, 并观测到铁电-弛豫转变的临界厚度。这些实验结果验证了所提出测试方法的有效性。本研究不仅为超薄膜弛豫特性的探索提供了一种新的表征方法, 也为理解铁电材料的弛豫极化行为奠定了基础, 推动了弛豫铁电材料在低维电子学器件中的应用。

消费电子、航空航天和国防科研等领域对BaTiO₃基多层陶瓷电容器(Multi-layer Ceramic Capacitor, MLCC)的性能要求日益提高。在MLCC复杂制作工艺过程中, 元素的分布和偏析会显著影响其相组成、微结构和性能, 亟需一个有效的分析手段在微观尺度上对MLCC进行元素精确解析。基于先进透射电镜(Transmission Electron Microscope, TEM)的元素分析技术因在亚埃尺度的超高空间分辨率而展现出独特优势。其中, X射线能谱(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy, EDS)可快速定性分析金属元素, 但对轻元素O的检测灵敏度较低, 且因能量分辨率较低(~130 eV), 致使Ba和Ti元素存在谱峰重叠, 无法进行准确的定量分析。相比之下, 电子能量损失谱(Electron Energy-loss Spectroscopy, EELS)不仅具有超高能量分辨率(<1.0 eV), 而且能够给出化学价态等信息, 在MLCC微观尺度元素分析中具有较大的潜力与优势。本工作一方面利用EELS解决了EDS因谱峰重叠而不能区分Ba和Ti元素的问题; 另一方面通过EELS揭示了在较小晶粒中Ti³⁺离子占比更多, 且单晶粒的EELS线扫分析发现烧结过程中Ba的扩散比Ti更容易。基于高空间分辨率的EELS可以提供更为准确和丰富的元素和价态信息, 为MLCC的工艺改良和性能优化提供重要支撑。

近年来, 随着航天、航空和核能领域的快速发展, 对能够在450 ℃及以上温度正常工作的压电陶瓷材料的需求日益迫切。钛酸铋(Bi₄Ti₃O₁₂, BIT)是铋层状结构陶瓷中具有较高居里温度(T_C~650 ℃)的压电陶瓷, 能够在高温环境下工作。但是纯相BIT陶瓷压电常数(d₃₃)和高温电阻率较低, 阻碍了其在高温环境下的应用。本工作采用固相反应法制备了A位Ce离子和B位W、Ta、Sb离子共同掺杂的BIT基压电陶瓷(BCTWTaS-100x, x=0~0.04), 系统研究了Ce掺杂对BIT基陶瓷结构和电学性能的影响。引入Ce离子造成BIT陶瓷晶格畸变以及畴结构变化, 显著增强了陶瓷的压电性能(x=0.03时, BCTWTaS-3陶瓷d₃₃=37 pC/N)。随着离子掺杂浓度的增大, TiO₆八面体顶部氧原子的相对位移增大, BIT陶瓷的晶格畸变程度相应增加。BCTWTaS-3陶瓷具有较高的T_C(673 ℃)以及高温电阻率(500 ℃时电阻率保持在10⁶ Ω·cm数量级)。此外, 该陶瓷还表现出良好的d₃₃热稳定性, 在600 ℃退极化2 h后, d₃₃仍能保持其初始值的85%以上。结果表明, BCTWTaS-100x陶瓷在450 ℃以上高温环境中具有很大的应用潜力。

微波介质陶瓷是5G/6G通信技术的关键材料, 广泛应用于谐振器、滤波器、介质基板等电子元器件。随着无线移动通信频率的不断提升, 对微波介质陶瓷提出了更高要求, 特别是需要更高的品质因数(Q)和接近零的谐振频率温度系数(τ_f), 以有效补偿高频信号在传输过程中迅速衰减, 并提高其工作稳定性。本研究采用固相烧结法制备了La(Ta_1-xV_x)O₄(LTV-x, 0≤x≤0.4)陶瓷, 并通过晶体结构精修、透射电子显微镜和微波介电测试, 研究了其结构和介电性能。在该体系中合成了两种具有优异微波介电性能的La(Ta_1-xV_x)O₄陶瓷, 分别为LTV-0.3(相对介电常数ε_r=22.15, Q×f=90100 GHz, τ_f=-9.52×10^-6 ℃^-1)和LTV-0.4(ε_r=21.75, Q×f=84100 GHz, τ_f=-4.50×10^-6 ℃^-1)陶瓷。研究发现, V⁵⁺取代诱导了LaTaO₄从单斜相(P21/c)向正交相(Cmc21)转变, 并有效降低了相变温度。随着x增加, ε_r和τ_f均呈下降趋势。Q×f不仅与相对密度有关, 还与晶胞的堆积分数有关。鉴于其低损耗和良好的温度稳定性, 该系列陶瓷材料在移动通信基站、卫星导航和雷达通信等领域展现出良好的应用前景。

长石基微波介质陶瓷以其较低的相对介电常数(ε_r)和优异的力学性能在5G通信技术中备受关注。本工作采用传统固相法合成了系列微波介质陶瓷SrAl_2-xGa_xSi₂O₈(0.1≤x≤2.0)。XRD分析表明, Ga³⁺能够进入Al³⁺晶格并形成固溶体。此外, Ga³⁺取代Al³⁺可以促使空间群由I2/c(0.1≤x≤1.4)转变为P21/a(1.6≤x≤2.0), 热膨胀系数(CTE)由2.9×10^-6 ℃^-1升高到5.2×10^-6 ℃^-1。空间群演变有效提高了晶体结构的对称性, 从而改善了材料的介电性能和力学性能。Rietveld精修结果表明, Ga³⁺平均占据4个Al³⁺晶格位置。所有陶瓷样品均具有致密的显微结构和较高的相对密度(超过95%)。x=1.6所获得的材料具有超低ε_r(5.8), 品质因数(Q×f)为50700 GHz, 以及负的谐振频率温度系数(τ_f约为-35×10^-6 ℃^-1)。通过添加质量分数4%的LiF, 陶瓷致密化温度可降低至940 ℃, 并且该复合陶瓷与Ag电极之间展现出良好的化学兼容性。同时, 通过添加CaTiO₃陶瓷, 可以将负τ_f调整到接近零(+3.7×10^-6 ℃^-1)。

ZnAl₂O₄及ZnAl₂O₄基陶瓷由于具有优良的微波介电、热学和力学性能, 从而备受研究人员关注。本工作系统研究了不同组成比例的5% CuO-TiO₂-Nb₂O₅(CTN)三元复合氧化物烧结助剂对ZnAl₂O₄微波介电陶瓷烧结行为和性能的影响。当5% CTN烧结助剂中Cu、Ti、Nb元素的摩尔分数分别为0.625~0.875、0~0.250、0.125~0.625时, ZnAl₂O₄陶瓷的烧结温度可从1400 ℃以上降低至1000 ℃以下。烧结助剂CN(Cu : Nb=1 : 1, 摩尔比)和CTN(Cu : Ti : Nb=4 : 1 : 3, 摩尔比)可分别将ZnAl₂O₄陶瓷的烧结温度降低至975和1000 ℃, 同时陶瓷具有优良的介电性能(介电常数ε_r=11.36, 品质因数Q׃=8245 GHz; ε_r=9.52, Q׃=22249 GHz)和抗弯强度(200和161 MPa), 有望用于制备铜电极低温共烧陶瓷(LTCC)材料。ZnAl₂O₄+CTN体系的低温烧结是一种活化烧结机制。晶界处存在含Cu、Ti、Nb元素的纳米级非晶态界面膜, 在ZnAl₂O₄陶瓷烧结过程中为传质过程提供了快速扩散路径。Ti和Cu离子的化合价改变以及氧空位变化, 降低了ZnAl₂O₄陶瓷的烧结温度。此外, 晶界上发生的系列反应发挥了活化晶界的作用, 进一步促进烧结致密化。本工作为设计具有优良性能、CuO-TiO₂-Nb₂O₅复合氧化物助烧的ZnAl₂O₄陶瓷LTCC材料提供了一种参考。

高温压电振动传感器是高温、复杂振动等严苛环境下用于结构健康监测的首选传感器。具有高居里温度(T_C)的铋层状结构CaBi₄Ti₄O₁₅(CBT)高温压电陶瓷是500 ℃及以上压电振动传感器的核心元件, 但其压电系数d₃₃低, 极大限制了其高温应用。本研究采用独特的Bi³⁺自掺杂策略, 提高了CBT压电陶瓷内部晶界数量, 增加了空间电荷的聚集位点, 促进了空间电荷极化的形成。进一步地, 基于空间电荷极化主要在低频下产生的特性, 利用不同频率介电温谱阐明了空间电荷极化提升CBT压电陶瓷压电性能的重要机制。最终获得了综合性能优异的CBT基高温压电陶瓷: T_C高达778 ℃; d₃₃提高了30%以上, 达到20.1 pC/N; 电阻率提高了1个数量级(在500 ℃下达到6.33×10⁶ Ω·cm)。本工作为500 ℃及以上压电振动传感器的实际应用提供了性能优异的关键功能材料。

Pb(Zr,Ti)O₃-Pb(Zn_1/3Nb_2/3)O₃(PZT-PZN)基陶瓷作为重要的压电材料, 在传感器和执行器等领域具有广泛应用, 优化其压电性能一直是研究热点。本研究旨在通过相界工程和畴工程调控与优化(1-x)[0.8Pb(Zr_0.5Ti_0.5)O₃- 0.2Pb(Zn_1/3Nb_2/3)O₃]-xBi(Zn_0.5Ti_0.5)O₃((1-x)(0.8PZT-0.2PZN)-xBZT)陶瓷的压电性能, 利用不同手段详细表征陶瓷样品的晶相结构和微观形貌。结果显示, 所有样品均具有纯钙钛矿结构, 且加入BZT使晶粒尺寸逐渐增大。研究发现, 加入BZT使陶瓷样品从准同型相界(MPB)向四方相发生变化, 这种相变对于优化压电性能至关重要。通过调控BZT的含量, 精确控制相界位置, 可以优化压电性能。畴结构是影响压电性能的关键因素之一。通过畴工程手段, 优化晶粒尺寸和畴尺寸等, 显著提高了陶瓷样品的压电性能。具体而言, 当x=0.08时, 压电常数d₃₃(320 pC/N)和机电耦合系数k_p(0.44)达到最大。结合实验结果和理论分析, 探讨了相界工程和畴工程对压电性能的影响机制, 研究发现加入BZT不仅促进了晶粒生长, 还优化了畴结构, 使得极化反转过程更加容易进行, 从而提高了压电性能。这些研究成果不仅为高性能压电陶瓷的设计提供了新思路, 还为相关电子器件的研制奠定了理论基础。