【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，西安交通大學(xué)電信學(xué)部電子學(xué)院和金屬材料強(qiáng)度全國重點(diǎn)實驗室李飛教授團(tuán)隊與合作者通過機(jī)器學(xué)習(xí)輔助設(shè)計，開發(fā)出壓電性能媲美單晶的織構(gòu)陶瓷。相關(guān)研究成果以《突破織構(gòu)壓電陶瓷的性能瓶頸》( Overcoming the performance ceiling of textured piezoelectric ceramics)為題，在《科學(xué)》(Science)期刊上在線發(fā)表。
 

　　壓電材料作為可以將電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的功能電子材料，已廣泛應(yīng)用于各類換能器和傳感器，例如：醫(yī)療超聲成像、水聲聲吶、精密驅(qū)動以及用于集成電路芯片散熱的壓電風(fēng)扇等。隨著實際應(yīng)用對器件分辨率、探測穿透深度、測量精度與功耗指標(biāo)要求持續(xù)提升，壓電材料的綜合性能亟待實現(xiàn)新的突破。其中，具有擇優(yōu)晶粒取向的織構(gòu)壓電陶瓷融合了單晶的高性能與傳統(tǒng)陶瓷低成本、高機(jī)械韌性、可實現(xiàn)異形共形制備的優(yōu)勢，是推動壓電材料性能提升的重要研究方向。然而，織構(gòu)陶瓷的壓電性能與同組分單晶的壓電性能仍存在較大差距，主要源于織構(gòu)陶瓷固有的微觀結(jié)構(gòu)特征，例如：存在壓電性較低的晶界、非織構(gòu)的晶粒以及晶界對疇尺寸的限制，從根本上阻礙了其壓電性能的進(jìn)一步提升。
 

　　針對這一難題，研究團(tuán)隊首先對拓?fù)浠瘜W(xué)合成法進(jìn)行了改進(jìn)，研制出了富含強(qiáng)擴(kuò)散離子Zr的一系列新型微晶模板，相比于傳統(tǒng)的BaTiO3模板，其在固相燒結(jié)過程中穩(wěn)定性更強(qiáng)。同時，建立了高質(zhì)量的弛豫鐵電陶瓷性能數(shù)據(jù)集，并在此基礎(chǔ)上，通過機(jī)器學(xué)習(xí)方法獲得了可預(yù)測弛豫鐵電陶瓷壓電性能和居里溫度的模型。在該模型的輔助下，充分發(fā)揮了織構(gòu)陶瓷相比于單晶材料的一個重要優(yōu)勢，即：更高的成分可調(diào)性，利用稀土元素?fù)诫s在織構(gòu)陶瓷中引入了適量的極性納米微區(qū)，進(jìn)而首次研制出了壓電性能可與單晶相媲美的Sm-Pb(In1/2Nb1/2)O3-Pb(Sc1/2Nb1/2)O3-PbTiO3織構(gòu)壓電陶瓷，其壓電系數(shù)d33=1720 pC/N、機(jī)電耦合系數(shù)k33=0.93，同時在機(jī)械強(qiáng)度、矯頑場等方面也表現(xiàn)出了顯著優(yōu)勢。此外，利用上述高性能織構(gòu)壓電陶瓷研制了矢量加速度計，該加速度計的靈敏度遠(yuǎn)高于壓電單晶和傳統(tǒng)鋯鈦酸鉛(PZT)陶瓷加速度計，并表現(xiàn)出了與傳統(tǒng)陶瓷器件相似的穩(wěn)定性和疲勞特性，證明了該材料可以兼具單晶的高靈敏度和陶瓷的優(yōu)異穩(wěn)定性及可靠性。以上研究工作表明，新型織構(gòu)壓電陶瓷材料可望為醫(yī)療超聲探頭、高靈敏度傳感器、芯片散熱用壓電風(fēng)扇等器件的性能提升帶來新的機(jī)遇。
 

　　西安交大為該論文的第一單位，論文第一作者為西安交大電信學(xué)部電子學(xué)院博士生張瑨璟和碩士生王子?xùn)|。西安交通大學(xué)楊帥助理教授、李飛教授、李景雷教授、武海軍教授和香港城市大學(xué)張樹君教授為論文通訊作者。研究工作得到了西安交通大學(xué)分析測試中心(張楊、任子君)的支持。
 

　　引用：Science發(fā)文！西安交大研究團(tuán)隊與合作者在織構(gòu)壓電陶瓷領(lǐng)域取得重要進(jìn)展 西安交通大學(xué) 【引用時間：2026年9月14日】