西安交通大学最新《Science》

2026年8月13日，西安交通大学李飞、李景雷、杨帅、武海军、香港城市大学张树君共同通讯在Science 在线发表题为“Overcoming the performance ceiling of textured piezoelectric ceramics”的研究论文。该研究通过机器学习加速筛选稀土掺杂元素和组分，成功开发出Sm掺杂PIN-PSN-PT织构压电陶瓷，实现了压电系数d₃₃=1720 pC/N和居里温度T_C=250°C，性能媲美甚至超越同类铅基弛豫铁电单晶，同时兼具陶瓷的高机械强度和低成本优势，为压电器件的性能提升和可靠性保障提供了全新材料方案。

基于钛酸铅的铁电陶瓷在已报道的压电材料中具有最高的压电电荷或应变系数和机电耦合系数。它们作为关键组件广泛应用于各种压电器件，包括医学超声成像和治疗换能器、精密控制用压电致动器以及集成电路芯片冷却用压电风扇。现代应用的需求，包括诊断中更高的分辨率和更深的穿透深度、冷却风扇中更低功耗下更大的振动幅度，以及制造中更高精度和更大工作位移，都要求具有更高d33和k33值的压电材料。

一个有前景的途径是制造具有择优晶粒取向的织构化压电陶瓷，利用晶体各向异性将压电活性提高到超过随机取向陶瓷的水平。该策略可与其他性能优化方法相结合，如“软”掺杂、MPB设计和局部结构异质性的创建，以进一步增强性能。与PT基单晶对应物不同，织构化陶瓷可通过固相反应制备，这规避了液相晶体生长固有的成分偏析和性能不均匀性。它们还可实现成本效益高、大尺寸的压电元件。然而，经过二十多年的努力，PT基织构化陶瓷的压电性能仍低于其理论潜力。

该研究利用织构化陶瓷的成分灵活性—这是相对于单晶对应物的关键优势—采用机器学习方法钐掺杂Pb(In₁/₂Nb₁/₂)O₃-Pb(Sc₁/₂Nb₁/₂)O₃-PbTiO₃织构化陶瓷表现出1720 pC/N的超高压电系数和250°C的居里温度。这些值可与最先进的单晶相媲美，甚至超越。原位X射线衍射和瑞利分析表明，其卓越的压电性主要是本征的，而非由畴切换驱动。利用这些织构化陶瓷，制造了一种压电加速度计，其不仅具有更高的灵敏度，而且可靠性显著优于单晶对应物。