【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，西安交通大學電信學部電子學院和金屬材料強度全國重點實驗室李飛教授團隊與合作者通過機器學習輔助設(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》(Science)期刊上在線發(fā)表。
 

　　壓電材料作為可以將電能和機械能相互轉(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一步提升。
 

　　針對這一難題，研究團隊首先對拓撲化學合成法進行了改進，研制出了富含強擴散離子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。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，通過機器學習方法獲得了可預(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，利用稀土元素摻雜在織構(gòu)陶瓷中引入了適量的極性納米微區(qū)，進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、機電耦合系數(shù)k33=0.93，同時在機械強度、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、芯片散熱用壓電風扇等器件的性能提升帶來新的機遇。
 

　　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部電子學院博士生張瑨璟和碩士生王子東。西安交通大學楊帥助理教授、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！西安交大研究團隊與合作者在織構(gòu)壓電陶瓷領(lǐng)域取得重要進展 西安交通大學 【引用時間：2026年9月14日】