压电材料是受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料。1880年,法国物理学家P. 居里和J.居里兄弟发现,把重物放在石英晶体上,晶体某些表面会产生电荷,电荷量与压力成比例。这一现象被称为压电效应。压电材料在传感器、驱动器、能量回收等领域具有非常广泛的应用。传统铅基压电材料因性能优异而占据了大部分的市场份额,但这些材料中含有大量对环境和人体有毒有害的重金属铅元素,因而无铅压电材料研究备受关注,其中(K,Na)NbO3是最有潜力的无铅材料体系,但其压电性能的温度稳定性较差,不利于工业化应用。
清华大学材料学院李敬锋教授、王轲副教授及其团队一直从事无铅压电材料研究,最近在提高(K,Na)NbO3基无铅压电材料温度稳定性方面取得重要进展。该研究组前期研究发现,CaZrO3掺杂的(K,Na)NbO3无铅压电陶瓷不仅在室温具有较高的压电响应(压电常数d33=350pC/N),且其压电应变在很宽的温度范围内(25-150℃)保持了非常优异的稳定性。最近,该组通过合作研究,利用原位变温变电场同步辐射X射线衍射、变温压电力显微镜等实验手段,结合第一性原理计算,揭示了该材料体系出色的温度稳定性来源于电场导致的弥散型相变,即电场作用下多晶型相转变区存在于更宽的温度范围内。该研究成果为解决 (K,Na)NbO3基无铅压电陶瓷温度稳定性差这一瓶颈问题找到了新途经。