原文出自Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊

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Feng X, Xu J, Zhang K, et al. High-sensitivity piezoelectric response enabled by heterogeneous stress–electric field distribution in 3D interconnected porous ceramics. Journal of Advanced Ceramics, 2026, https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221280

文章DOI：10.26599/JAC.2026.9221280

ResearchGate：High-sensitivity piezoelectric response enabled by heterogeneous stress–electric field distribution in 3D interconnected porous ceramics

基金支持：

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：52472078、52072301、52272123）、陕西省中青年科技创新领军人才（2024）、国家重点研发计划（项目编号：2022YFB3504901）以及“111引智计划”（项目编号：B20028）的资助。

一、导读

多孔压电陶瓷对外界微小机械刺激的响应在压电智能传感领域显示出巨大的应用优势。然而，由压电陶瓷的固有特性决定的压电电荷常数d₃₃与介电常数ε_r之间存在很强的耦合，抑制了压电的能量转换效率，进一步限制了其应用。在本研究中，我们通过构建一种完全开孔、三维互连的PZT基多孔压电陶瓷(3D-PPC)，成功突破了这一挑战。尽管该多孔压电陶瓷具有高达92%的超高孔隙率，其d₃₃仍可保持约470 pC/N，约为致密陶瓷的90%。与此同时，其有效介电常数ε_r降低至约140（降低约94%），从而使压电电压常数g₃₃提升约14倍（约380 × 10⁻³ V·m/N）。这种优异性能来源于三维互连多孔结构中异质应力与电场、多尺度畴结构以及缺陷调控之间的协同作用。研究表明，三维互连多孔结构不仅仅是降低介电常数的被动手段，更是一种能够主动调控局部场分布与极化行为的结构设计策略。

二、研究背景

多孔压电陶瓷具有低密度、低介电常数（ε_r）和良好的力学顺应性等优点，在高灵敏度传感和能量转换领域具有广泛的应用前景。然而，孔隙度的增加往往伴随着压电电荷系数的显著降低（d₃₃），这就产生了一种内在的权衡，限制了多孔结构在高灵敏度压电器件中的实际应用，并使其整体性能优势受到争议。通过孔结构调控实现压电陶瓷电学参数的解耦是当前急需思考的问题。本研究通过泡沫注凝（foam-gelcasting）工艺构建的完全开孔、三维互连的多孔结构，结果中电学参数的成功解耦标志着材料结构功能一体化设计的有效实现。

三、文章亮点

1. 将泡沫凝胶注模法应用于三维多孔压电陶瓷的制备。孔隙率高达92%的多孔陶瓷将ε_r降低到7%（ε_r = 141），然而保留了高达91%的d₃₃（d₃₃ = 470 pC/N），使g₃₃（g₃₃ = d₃₃/ε_r）相比于致密陶瓷增加了14倍（g₃₃ = 380 × 10^-3 Vm/N）。

2. 互连的陶瓷骨架得益于连续的应力传输网络、多尺度共存的电畴结构和增强的局部电场，降低了畴壁翻转势垒，提高了极化效率而保持了高d₃₃。

3. 本研究从材料组分、结构设计到功能调控进行了系统化的精确设计，推动了下一代智能压电传感器在对微小刺激的高灵敏度监测中的应用进展。

四、研究结果及结论

在典型的压电材料中，压电电荷系数（d₃₃）和介电常数（ε_r）具有内在的相关性，根据唯象理论，d₃₃通常与ε_r成正比例相关。在陶瓷基体中战略性地引入三维空间分布的气相，为解耦这些特性提供了一条可行的途径（图1）。多孔压电陶瓷得益于其独特的拓扑结构，这增强了应力和电荷传递效率，有效优化g₃₃数值。研究泡沫浆料的流变特性和固化策略以获得具有良好稳定性的泡沫浆料，制备获得的多孔陶瓷没有检测到其他任何焦绿石杂峰，均显示纯相（图2）。

图1 PZNNT三维连通多孔压电陶瓷（3D-PPCs）的设计策略及实验制备工艺。

图2 陶瓷浆料泡沫稳定性、胶体流变性及物相结构。

多孔陶瓷具有完全开放的三维互连孔隙结构，孔隙呈球形或椭圆形。0.8 wt%最佳发泡剂（SDS）含量（S08样品）的孔隙尺寸分布变得更加均匀，陶瓷骨架变得更加致密（图3）。图4使用透射电子显微镜观察到S08样品的分层铁电畴结构，由大的层状宏观畴（~350 nm）和纳米微畴（~10-20 nm）组成。高密度畴壁及纳米畴结构可以提高压电性能。同时对于3D PPC而言，开孔通道显著提高了烧结过程中的氧气可及性，增强了整体氧化并有效降低了氧空位浓度从而诱导明显的“软”铁电行为，其特征是畴壁迁移势垒降低和极化响应增强。

图3 PZNNT多孔陶瓷的微观结构和孔隙表征。

图4 PZNNT陶瓷的透射电子显微镜（TEM）图像及缺陷化学分析。

PZNNT多孔压电陶瓷得益于优异的压电电荷常数（d₃₃ = 470 pC/N）和压电电压常数（g₃₃ = 380 × 10⁻³ V·m/N）（图5）。所开发的压电传感器兼具高输出电压和出色的灵敏度，使其在检测细微压力变化方面非常有效，并适用于高精度智能传感应用（图7）。

图5 PZNNT陶瓷的电学及力学性能。

COMSOL Multiphysics 有限元模拟分析材料结构内部的应力和电场的空间分布情况如图6所示。从应力角度分析，孔隙与陶瓷骨架间存在的显著机械模量差异迫使应力放大效应沿着曲折且狭窄的骨架路径传递，进而加剧了局部的机电耦合响应。同样地，陶瓷骨架（其介电常数较高）与孔隙（其介电常数较低）之间的显著介电差异导致孔隙周围出现明显的场弯曲和变形，跨宽化的场分布反映了孔隙引起的场不均匀性的程度。这些统计场特征与控制多孔铁电体极化和切换畴动态变化的非均匀场机制相一致，并为观察到的多尺度域结构和性能演变提供了理论基础。

图6 COMSOL Multiphysics有限元模拟的致密体和三维多孔体。

图7 封装PZNNT 3D-PPC传感器的输出电压特性。

五、作者及研究团队简介

许杰(通讯作者)，西北工业大学材料学院副教授，博士生导师。主要从事特种无机粉体制备、先进陶瓷胶态成型工艺及多孔功能陶瓷材料的应用基础研究。担任中国硅酸盐学会测试技术分会理事，特陶分会青工委委员，Journal of Advanced Ceramics, Journal of Materiomics, Rare Metals杂志青年编委，《现代技术陶瓷》编委。主持国家自然科学基金3项，国家重点研发计划子课题、军口纵向项目、陕西省重点研发计划、中国博士后科学基金特别资助等科研项目10余项。近年来，以第一/通讯作者身份在国内外期刊上发表论文80余篇，出版学术专著1部，获授权国家发明专利20余项，获陕西省技术发明二等奖1项，陕西高等学校科学技术研究优秀成果一等奖2项。

郑木鹏(通讯作者)，北京工业大学材料科学与工程学院副研究员，博士生导师。主要从事无铅压电陶瓷与能量收集系统、柔性压电复合材料与器件研究。博士学位论文入选首届中国材料研究学会优秀博士学位论文。主持国家自然科学基金、北京市自然科学基金、中国博士后科学基金等各级科研项目10余项。先后入选北京市自然科学基金优秀青年人才、北京工业大学高端人才队伍建设计划-优秀人才、北京工业大学日新人才培养计划等。以第一作者/通讯作者在Acta Mater、J Mater Chem C、J Am Ceram Soc、J Eur Ceram Soc等本领域著名学术刊物发表SCI论文30余篇，作为副主编参与撰写学术专著一部：《压电陶瓷掺杂调控》（科学出版社，2018）。

高峰(通讯作者)，西北工业大学材料学院教授、博士生导师，英国伦敦玛丽女王大学工程与材料学院讲座教授。主要从事介电、铁电、压电和热电等电子功能陶瓷材料及元器件的基础与应用研究。陕西省“三秦英才”特支计划科技创新领军人才，担任International Journal of Ceramic Engineering and Science和Crystal期刊编委，《压电与声光》编委。先后主持国家自然科学基金重点和面上项目、科技部国家重点研发计划项目、国家级军口科技创新项目等国家和省部级科研项目30余项，已在Progress in Materials Science、Advanced Materials、Nano Energy、《物理学报》、《无机材料学报》、《复合材料学报》等国内外学术期刊上发表论文300余篇，并获授权国家发明专利30余项，荣获“2024年波兰陶瓷学会杰出贡献奖”及“2023年陕西省技术发明二等奖”、“2008年陕西省科学技术二等奖”等省部级奖励5项。

张树君(通讯作者)，现为香港城市大学讲座教授、澳大利亚伍伦贡大学杰出教授；此前曾任美国宾夕法尼亚州立大学资深科学家及教授。他已发表/合作发表逾600篇技术论文（谷歌学术统计显示被引57,000次，H指数112），成果刊载于《科学》《自然》《自然·材料》及多家学会旗舰期刊，并在介电与压电材料领域持有12项美国授权专利。自2021年起，他连续入选科睿唯安"交叉领域"或"材料科学"领域全球高被引科学家。现任《微结构》创刊主编、《晶体》（多晶陶瓷板块）主编，兼任《美国陶瓷学会会刊》、《IEEE超声、铁电与频率控制会刊》及《科学通报》副主编。

作者及研究团队在Journal of Advanced Ceramics上发表的相关代表作：

(1) Xu J, Shao Y, Feng X, et al. Low sintering shrinkage porous ceramics: Principles, progress, and perspectives. Journal of Advanced Ceramics, 2025, 14(2): 9221015. https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9221015

(2) Yang R, Xu J, Guo J, et al. High wave transmittance and low thermal conductivity Y–α-SiAlON porous ceramics for high-temperature radome applications. Journal of Advanced Ceramics, 2023, 12(6): 1273-1287. https://doi.org/10.26599/JAC.2023.9220756

(3) ZHU J, WEI M, XU J, et al. Influence of order-disorder transition on the mechanical and thermophysical properties of A₂B₂O₇ high-entropy ceramics. Journal of Advanced Ceramics, 2022, 11(8): 1222-1234. https://doi.org/10.1007/s40145-022-0605-3

《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介

《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为中国科学院院士、清华大学林元华教授、苏州国家实验室周延春教授、广东工业大学林华泰教授和哈尔滨工业大学张幸红教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，2025年发文量为202篇；2025年6月发布的影响因子为16.6，连续5年位列Web of Science核心合集“材料科学，陶瓷”学科34种同类期刊第1名；2024年11月入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目；2025年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表材料科学1区Top期刊。2023年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台SciOpen独家发布，标志着该刊结束多年来“借船出海”的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。

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