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作者：记者 唐琳 夏瑞 来源： 发布时间：2018-11-13 16:35:9
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当下，反铁电材料已经广泛应用于大位移驱动器、高功率脉冲电容器、能量存储器件等元器件，并在航空航天、精密仪器以及高端装备制造业等领域拥有广阔的应用前景。
然而，由于传统反铁电材料普遍含铅，这就势必会带来一定的环境安全隐患。因此，对于可替代传统铅基陶瓷材料的电子陶瓷材料的无铅化研究，便成为了近年来材料领域的热点之一。
尽管该领域的科学家们经过十余年艰苦卓绝的努力，极大地推动了无铅反铁电陶瓷材料的研究水平，但反铁电相稳定性差、难以重复利用等关键性科学难题，仍一直困扰着无铅材料的产业化应用。
如今，合肥工业大学材料科学与工程学院教授左如忠及其科研团队为学界带来了一个好消息：他们研发出了一种具有稳定反铁电相结构的新型无铅陶瓷材料，探明了其电致应变特性及结构机理，从而为未来无铅反铁电材料的进一步组成设计和结构研究奠定了理论和技术基础。
环保呼唤无铅
在反铁电材料中，相邻的两个子晶格极化强度相等而极性相反，在宏观上不呈现净电偶极矩。在电场作用下，反铁电相会被诱发为铁电有序相，伴随着相变过程，晶胞体积和极化强度均快速增加，因而反铁电材料在大位移驱动器、高功率脉冲电容器、能量存储器件等领域具有巨大的应用潜力。
在众多反铁电材料中，锆酸铅是最早被发现的，其在电场周期中表现出典型的双电滞回线，并且能够获得高达0.8%的应变。鉴于其突出的电学性能，直到目前，锆酸铅基陶瓷仍然是研究和应用最为广泛的反铁电材料。
然而，由于铅的使用会带来严重的环境污染问题，故而国际上都对含铅材料的研究与使用进行了限制。于是，开发出能够取代锆酸铅基的无铅反铁电高性能陶瓷材料就成为近年来的研究热点。
遗憾的是，无铅反铁电材料可选择的余地非常有限。通常来说，被认为最有潜力的主要是钛酸铋钠、铌酸银和铌酸钠三个体系。其中，钛酸铋钠体系的结构机理被认定为是电场诱发的各态历经弛豫铁电相至铁电相的转变，而非早期认为的反铁电相至铁电相的相变；而铌酸银体系则因为含有贵金属银而制约了其应用潜力。
于是，研究人员便将目光聚焦到仅存的铌酸钠上。虽然铌酸钠备受关注，但它依旧存在缺陷：该陶瓷材料中的反铁电相稳定性差，因和具有正交结构的铁电相具有相似的自由能而常常在室温下共存，导致其反铁电性在电场周期中难以被重复利用。
“因此，如何有效稳定铌酸钠基无铅陶瓷中的反铁电相结构，并深入理解其电致应变特性及结构机理，对无铅反铁电材料的研究与市场应用有非常重要的意义，也成为领域内的一个研究热点。”合肥工大材料科学与工程学院教授左如忠告诉《科学新闻》。
攻克业内难题
对此，左如忠率领团队采用传统固相合成技术，通过掺杂具有不同容差因子钙钛矿组成、形成结构缺陷等方式，成功制备出一种具有稳定反铁电相结构的铌酸钠基无铅陶瓷材料。
实验发现，这一新型材料在电场周期中呈现出重复可利用的反铁电相到铁电相的相变特性、典型双电滞回线特征的极化—电场（P-E）曲线，以及完全无负应变的豆芽状应变—电场（S-E）曲线，从而证实该材料具有稳定的反铁电性质和优异的电场诱发的电致应变特性。
与此同时，研究团队还借助透射电子显微镜和原位/非原位同步辐射X射线衍射技术，对这种新型材料的电畴形貌、空间对称性及其对电场响应的特征等进行了研究，探明了该材料的反铁电性特征和应变机制。
经过进一步研究，课题组还发现，容差因子较小的组元有助于稳定反铁电相，而容差因子较大的组元有助于稳定铁电有序相。在铌酸钠基无铅反铁电陶瓷中，宏观应变的特点是纵向应变为正值、横向应变为负值，整个体积应变贡献为20%。
“这一发现挑战了人们对传统铅基反铁电陶瓷材料在纵横两个方向上的应变都为正值的传统认知。”左如忠解释。
这项研究成果的诞生，为稳定铌酸钠陶瓷反铁电性的机理及其技术路径提出新的思路，在解决铌酸钠陶瓷反铁电性难以利用这一技术和科学难题上迈出重要一步，为未来无铅反铁电材料的进一步组成设计和结构研究奠定了理论和技术基础，有望推动铌酸钠基无铅反铁电陶瓷材料在大位移驱动器、能量存储等技术领域的应用。相关成果也于近期发表于国际著名学术期刊《材料学报》。
创新永无止境
在电子陶瓷与器件研究领域里，左如忠及其团队并不让人陌生。
近年来，左如忠课题组围绕新型无铅铁电、反铁电以及压电陶瓷材料的设计、制备及其工艺—结构—性能相互关系等一系列基础问题完成了大量开创性工作，特别是在借助高分辨透射电子显微镜、高能同步辐射光源等先进技术手段探索无铅压电材料体系在宏观电学性能和微观、介观结构、局域电子结构的相关性方面取得了重要进展。
在这些开创性工作基础上，2016年，左如忠团队成功发现和制备了具有钙钛矿结构的新型铌酸钠基三元系准同型无铅无钾铁电、压电陶瓷材料。该材料体系不仅具有环境友好和工艺友好的特征，还具有优异的电致应变特性和温度不敏感的小信号压电和机电性能，有望在高性能陶瓷驱动器、传感器和换能器等领域获得应用。
这支团队之所以能够屡创佳绩，离不开背后为其提供源源不断创新支持的“后盾”——合肥工大电子陶瓷与器件研究所（IECDs）。
电子陶瓷与器件研究所成立于2007年初，主要从事新型介电、铁电和压电等信息功能陶瓷块材、电磁薄膜材料、功能厚膜材料、低维功能材料的合成技术、成型技术、烧结技术和理论，以及各种机、电、磁学等性能的表征及其在器件应用方面和无源器件集成技术方面的基础研究和应用研发，特别是探索这一研究领域里具有新型结构和性能的材料体系，研究其在高频通信领域以及智能结构和器件方面的应用潜力。
“研究所拥有广泛的国内和国际学术交流与合作，有着良好的产学研合作基础、科研环境和条件，追求一流的科研和一流的人才培养。”左如忠告诉记者。
目前，研究所有教授1人，副教授3人，讲师1人，博士后1人以及博士生、硕士生近20人；近年来先后主持多项国家自然科学基金项目、教育部新世纪优秀人才项目、安徽省杰出青年基金项目及科技攻关项目等；在国际知名学术期刊发表SCI论文200余篇，获得国家授权发明专利10余项……一股具备核心创新能力的科研新势力，正冉冉升起。
然而，对于左如忠和他的团队而言，一切只是开始，创新永无止境。
“我们将以此为基础和指导，进一步通过组成设计和结构调控提高应变量并降低相变驱动电场，使铌酸钠基无铅反铁电陶瓷能够获得媲美含铅反铁电陶瓷的电学性能，实现在位移驱动器等电子器件中的商业化应用。”左如忠表示。■
（作者之一夏瑞单位为合肥工业大学）
《科学新闻》 (科学新闻欧宝体育平台：10月刊 进展)
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