在高功率压电器件（如超声焊接、清洗、加工与医疗手术等）中，材料既需要高压电常数（d₃₃）以保证能量转换效率，又需要高机械品质因数（Q_m）以降低机械损耗。然而在铌酸钾钠（KNN）基无铅压电陶瓷体系中，“d₃₃与Q_m此消彼长”的矛盾长期存在：传统缺陷偶极硬化虽能提升Q_m，却常以显著牺牲d₃₃为代价，且在高温/高驱动下稳定性受限。

近日，四川大学朱建国教授团队提出“非均匀扩散+界面应力”的新策略，在KNN基复合陶瓷中同时构建“局部结构异质性”和“界面残余应力场”，显著提升电机耦合兼容性：在保持较高d₃₃的同时，将Q_m实现三倍以上提升（56→205），并获得d₃₃ = 370 pC/N的综合性能表现。该工作为高功率无铅压电器件提供了新的材料设计路线。

相关研究成果以“Heterogeneous diffusion and remnant hardening with excellent electromechanical compatibility in alkaline niobate composites”为题发表在Journal of Materials Chemistry A期刊上。四川大学朱建国教授为该论文的通讯作者。

研究团队设计并制备了CuSb₂O₆（CSO）掺杂KNN基陶瓷体系。在烧结过程中发生“双向扩散”：Sb从CSO相扩散进入KNN基体并取代Nb，诱导局部结构异质性；同时少量Nb从基体扩散进入CSO相并与Cu作用形成第二相，从而在基体/第二相界面引入局部应力场。这种“结构异质性+界面应力场”的双调控，为兼顾高d₃₃与高Q_m奠定基础。

图1. KNN/xCSO复合陶瓷中异质扩散的示意图

TEM与PFM在第二相附近观察到畴细化与畴壁密度提升，并出现畴在界面“终止”的现象，说明界面应力场对畴壁迁移具有钉扎作用，有利于降低机械损耗、提升Q_m。与此同时，Sb进入晶格会逐步破坏长程铁电有序（LRFO）并增强局部结构异质性；Raman mapping显示随CSO含量提高，特征峰面积增大，进一步证明局域异质性增强。KPFM也观察到电势分布不均匀，支持“局部结构异质性”存在，被认为是维持较高d₃₃的重要原因之一。

图2.（a₁）通过TEM图像呈现的KNN/0.012 CSO样品的畴结构形貌。（a₂）与（a₃）分别为（a₁）中局部区域的放大图。（b₁-b₃）利用面外PFM模式对KNN/0.012 CSO样品电畴进行的详细表征，分别对应形貌图、振幅图和相位图。拉曼面扫结果以色阶形式展示，其输出参数为特征峰面积—图中颜色越亮代表峰面积越大，反之则越小。其中（c）以KNN/0.004 CSO陶瓷的612 cm^-1特征峰面积为参数，（d）以KNN/0.012 CSO陶瓷的609 cm^-1特征峰面积为参数。（e）KNN/0.012 CSO样品的表面电势分布图。

 在适量CSO加入条件下，复合陶瓷Q_m由56提升至205，同时d₃₃仅由450 pC/N小幅下降至370 pC/N，打破“提升Q_m必然大幅牺牲d₃₃”的常见困境。其中，Q_m提升与界面应力场对畴壁运动的抑制相关；而d₃₃的维持则与Sb诱导的局部异质性提升结构柔性、以及界面空间电荷可能减小去极化场等因素有关。最终KNN /0.012 CSO样品实现d₃₃ = 370 pC/N与Q_m = 205的优异综合性能。

图3.（a）极化后复合陶瓷在谐振与反谐振频率附近的阻抗及相位角频谱。通过测量样品在谐振频率附近的阻抗与相位角频率谱，表征其机电性能。（b）d₃₃与Q_m值随CSO含量变化的函数关系。（c）KNN/x CSO复合陶瓷与其他已报道KNN基体系陶瓷的综合性能对比。（d）复合陶瓷在30至500 °C温区内的相对介电常数-温度曲线。

本工作提出“非均匀扩散+界面应力”的KNN基复合陶瓷设计策略：通过Sb扩散诱导局部结构异质性维持高d₃₃，同时利用第二相引发的界面残余应力场钉扎畴壁、显著提升Q_m，从而实现优异电机耦合兼容性。代表性样品KNN/0.012 CSO实现d₃₃ = 370 pC/N、Q_m = 205，并展现更好的高温稳定潜力，为高功率无铅压电器件提供了可推广的材料设计范式。

文章信息：https://doi.org/10.1039/d4ta07326f