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泰国清迈大学等：通过电致伸缩介导的可逆相变打破B位工程化BNKT基陶瓷的应变-对称性权衡精选

已有 1021 次阅读 2026-7-3 10:07 |个人分类:JAC|系统分类:论文交流

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

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Butnoi P, Manotham S, Saenkam K, et al. Breaking the strain–symmetry trade-off via electrostriction-mediated reversible phase transition in B-site-engineered BNKT based ceramics. Journal of Advanced Ceramics, 2026, https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221335

文章DOI：10.26599/JAC.2026.9221335

ResearchGate：Breaking the strain–symmetry trade-off via electrostriction-mediated reversible phase transition in B-site-engineered BNKT based ceramics

一、导读

无铅压电陶瓷作为铅基材料的环境友好型替代品已引起广泛关注。然而，同时实现大的电场诱导应变和高应变对称性仍然困难，因为巨大的应变通常伴随着不可逆的极化翻转和明显的滞回。本工作将Zr引入BNKT陶瓷的B位以调控晶体结构和极化行为。适量的Zr取代促进了晶格软化，并伴随菱方（R3c）和四方弛豫（P4bm）相的共存，导致更平坦的自由能景观和电场下更可逆的极化。结果表明，优化组分表现出约0.52%的大双极应变、高归一化应变系数（d~33~* ≈ 867 pm/V）和高电致伸缩系数（Q~33~ ≈ 0.055 m⁴/C²），同时保持了近乎对称的应变响应。结果表明，电致伸缩介导的可逆极化在增强的机电性能中起主导作用。本研究为提高BNKT基无铅压电陶瓷的性能提供了一种简单有效的策略，并为开发高性能压电致动器提供了有益指导。

二、研究背景

无铅压电陶瓷作为致动器、传感器和精密机电设备中传统铅基材料的替代品正在积极开发中。在现有候选材料中，BNKT基陶瓷因其大的电场诱导应变而备受关注。然而，提高应变性能通常会导致应变对称性变差和滞回增加，这会降低尺寸稳定性并限制实际应用。

以往研究主要集中在通过组分改性来提高应变性能，而对晶体结构、极化行为与应变对称性之间关系的关注较少。本工作采用B位Zr取代来调控BNKT陶瓷的相结构和极化响应，旨在阐明结构演化如何影响机电响应，并找到一条同时实现大应变和高应变对称性的有效途径。

三、文章亮点

1）B位Zr工程在BNKT基无铅陶瓷中诱导晶格软化并调控相组成。2）优化组分实现了大电致应变（~0.52%），并具有近乎对称的双极应变响应。3）高电致伸缩系数（Q₃₃ ≈ 0.055 m⁴ C⁻²）证明了以电致伸缩为主的应变行为。4）R3c-P4bm 相共存平坦化了自由能景观并促进了可逆极化。5）将晶格软化与相共存相结合，为增强无铅压电陶瓷中的可逆电致应变提供了一种有效策略。

四、研究结果及结论

制备了一系列Zr改性的BNKT陶瓷，以研究B位取代对晶体结构和机电行为的影响。使用XRD、Rietveld精修、拉曼光谱、FTIR、TEM和XPS进行的结构分析表明，随着Zr含量的增加，四方弛豫 P4bm 相的比例逐渐增加，同时保留与菱方 R3c 相的共存，从而逐步改变了相组成。这些结构变化伴随着晶格软化和更平坦的自由能景观，使得极化在施加电场下更具可逆性。

电学测量表明，x = 0.015 的组分表现出最佳的综合机电性能，双极应变约为0.52%，归一化应变系数约为867 pm/V。x = 0.025 的组分表现出最高的电致伸缩系数（Q~33~ ≈ 0.055 m⁴/C²），表明随着弛豫特性增强，电致伸缩的贡献增加。剩余极化和矫顽场的降低进一步表明，在优化组分中，可逆极化比不可逆畴切换发挥了更重要的作用。

基于所获得的结果，控制晶格柔软度以及 R3c-P4bm 相平衡可促进电致伸缩介导的可逆极化，为在BNKT基无铅陶瓷中实现大的、近乎对称的电致应变提供了一种有效策略。该策略也可能适用于其他无铅弛豫铁电体系。

五、作者及研究团队简介

Gobwute Rujijanagul 教授

泰国清迈大学（Chiang Mai University）

邮箱：gobwute.ruji@cmu.ac.th

个人简介：Gobwute Rujijanagul教授是先进功能陶瓷领域的专家。他的研究主要集中在无铅压电陶瓷、铁电材料、电子陶瓷、介电材料以及功能氧化物陶瓷的结构-性能关系方面。他的研究团队致力于通过组分设计、相工程和缺陷调控来开发环境友好的压电材料，应用于致动器、传感器及其他先进机电设备。

研究兴趣： 先进功能陶瓷的设计、制备及结构-性能关系，重点研究无铅压电陶瓷、铁电材料、电子陶瓷、缺陷工程及多功能氧化物材料。

邮箱： gobwute.ruji@cmu.ac.th

ORCID： 0000-0002-8356-8915

副教授Pichitchai Butnoi博士

泰国拉贾曼加拉理工大学（Rajamangala University of Technology）

邮箱：pichitchai.b@mail.rmutk.ac.th

副教授 Supalak Manotham 博士

泰国拉贾曼加拉理工大学

邮箱：supalak.m@mail.rmutk.ac.th

Kamonporn Saenkam 博士

泰国清迈大学

邮箱：k.saenkam@gmail.com

Waraporn Boontakam 女士

泰国清迈大学

邮箱：Waraporn.boontakam@gmail.com

副教授 Chatchai Kruea-In 博士

泰国清迈皇家大学（Chiang Mai Rajabhat University）

邮箱：chatchai.krue@gmail.com

Thapanee Srichumpong 博士

泰国清迈大学

邮箱：thapanee.sr@cmu.ac.th

副教授 Kamonpan Pengpat 博士

泰国清迈大学

邮箱：kamonpan.p@cmu.ac.th

副教授 Chamnan Randorn 博士

泰国清迈大学

邮箱：crandorn@gmail.com

副教授 Thanatep Phatungthane 博士

泰国那空帕农大学（Nakhon Phanom University）

邮箱：p_thanatep@yahoo.com

《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；2026年6月发布的影响因子为14，连续6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。