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贵州大学曾芳芳、哈工大王大伟、华科大范桂芬：通过构建高活性非冻结玻璃态极性纳米微区，在钛酸钡基无铅陶瓷中实现近零应变滞后

已有 207 次阅读 2026-9-3 10:33 |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

Cite this article:

Li H, Luan Y, He R, et al. Near‑zero hysteresis in BaTiO₃-based piezoceramic enabled by non-freezing high-active glassy polar nanoregions. Journal of Advanced Ceramics, 2026, https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221363

文章DOI：10.26599/JAC.2026.9221363

ResearchGate：Near‑zero hysteresis in BaTiO₃-based piezoceramic enabled by non-freezing high-active glassy polar nanoregions

基金支持：

国家重点研发计划（2022YFF0706500）、贵阳市科技平台建设（[2023]7-3）、贵州大学智能制造产教融合创新平台及研究生联合培养基地（2020-520000-83-01-324061）、贵州省智能服务工程技术研究中心（2203-520102-04-04-298868）、贵州省基础研究计划（自然科学）（黔科合基础-ZK-2023-266）、国家自然科学基金（62163006、61605153）、2025年贵州省实验室研究定向支持项目（黔科合平台SSYS[2025]重大003）。

一、导读

近年来，铁电玻璃态作为压电陶瓷领域的新兴概念受到了广泛关注。这种玻璃态具有长程无序、短程有序的特点，因而展现出与其晶体态截然不同的性能，在降低材料应变滞后方面展现出了极高的前景。在本工作中，通过精心构建A位空位缺陷和B位受主掺杂缺陷，在Ba_(1−x)(Sn_0.11Ti_0.89)O₃–0.5xSb₂O₃陶瓷中成功构建了高活性非冻结玻璃态极性纳米微区（HAG-PNRs），实现了约1.25%的近零应变迟滞。

图1. 缺陷构建示意图，铁电回线图，单极应变回线图和迟滞性能对比图

二、研究背景

驱动器广泛应用于精密定位、光电器件等领域。然而，由于陶瓷材料较高的应变滞后，其应用受到了严重的限制。因此，如何获得超低甚至近零的应变滞后，一直是无铅陶瓷领域亟待突破的难题。现有的工作多是基于缺陷工程，相界工程和构建极性纳米微区来降低材料的应变滞后，然而，这些策略虽然能小幅度的降低材料的应变滞后，然而较大的滞后任然限制了其在高精度驱动器的应用。因此，如何开发超低应变低滞后的无铅压电陶瓷，对推动无铅压电材料在高精度驱动器件方向的发展具有参考价值。

三、文章亮点

(1) 提出“高活性非冻结玻璃态极性纳米微区”新概念：通过缺陷工程和居里温度设计，构建出了工作温度区间在居里温度到伯恩温度的高活性，非冻结的极性纳米微区。

(2) 多种策略的协同作用：缺陷工程，相界工程和HAG-PNRs协同作用，共同促进了超低应变滞后的诞生。

(3) 近零的应变滞后：通过多相共存和HAG-PNRs协同作用平滑自由能，降低摩擦阻尼，极大降低材料应变滞后。再通过缺陷工程构建内建电场，形成不对称应变曲线，最终在正向电场实现了近零滞后（1.25%）。

四、研究结果及结论

本研究通过精确设计缺陷浓度来构建非冻结玻璃态的高活性玻璃态极性纳米微区（HAG-PNRs），成功制备了具有近零滞后应变（~1.25%）的Ba_(1−x)ST−xSb₂O₃陶瓷。通过不对称的铁电和应变回线图，证明陶瓷构建了内建电场。多相共存和HAG-PNRs协同作用平滑了自由能，降低了摩擦阻尼，降低了陶瓷的应变迟滞。再通过缺陷工程构建的内建电场实现不对称的应变曲线，最终，我们在正向电场获得了近零应变滞后。

图2. (a) B_(1−x)ST−xSb 陶瓷在70 kV/cm下的 P−E 电滞回线。(b)双极S−E应变迟滞回线。(c)单极S−E应变迟滞回线。(d) B_(1−x)ST−xSb 陶瓷的滞后应变(H_s)。 (e) x = 0.01组分随温度变化的S−E曲线。(f) x = 0.01 组分的I−E和P−E曲线。(g) 再极化过程中不同畴偏转角度的示意图。(h) 与其他陶瓷材料的H_s对比

通过进一步的介电温谱分析，证明了居里温度确实在室温以下，陶瓷工作在居里温度到伯恩温度的高活性区域。此外，所有的介温曲线表现出频率弥散和相变色散，符合弛豫铁电体的特征。进一步进行了弛豫度拟合，拟合出的弛豫度因子在1~2之间，进一步证明了其确实属于弛豫铁电体。

图3. (a−d) B(1−x)ST−xSb 陶瓷随温度变化的介电谱。(e) 弥散因子 (γ) 的拟合结果。(f) 不同 B(1−x)ST−xSb 陶瓷组分的 γ、Tm 和 TB 的变化

通过进一步的XRD, Raman等微结构分析，证明了陶瓷确实存在多相共存。进一步的Raman拟合分析，证明了陶瓷的长程铁电有序被破坏，形成了极性纳米微区。

图4. (a) B_(1−x)ST−xSb 陶瓷的XRD图谱。(b) 45°附近的放大XRD图谱。(c) x = 0.01和0.05 组分在45°附近的XRD图谱拟合结果。(d) x = 0.01组分的XRD图谱的Rietveld精修结果。(e) x = 0.01组分在46°和55°附近随温度变化的XRD图谱。(f) x = 0.01和 0.05组分解卷积后的拉曼光谱。(g) B_(1−x)ST−xSb陶瓷的拉曼光谱

进一步的PFM,TEM等微观表征直观的证明了多相共存和极性纳米微区的存在，证明了超低应变迟滞的来源为多相共存和高活性的极性纳米微区。

图5. (a−d) x = 0.01和x = 0.05组分的PFM振幅图和相位图。(e−l) x = 0.01组分在电场作用下（0、5、10和15分钟）畴写入的振幅和相位随时间演变的图像。(m−o) x = 0.01组分的选区电子衍射（SAED）花样、快速傅里叶变换（FFT）花样和高分辨率畴结构

综上，本文通过精确设计缺陷浓度来构建非冻结玻璃态的高活性玻璃态极性纳米微区（HAG-PNRs），成功制备了具有近零滞后应变（~1.25%）的B(1−x)ST−xSb陶瓷。通过在B位引入Sb³⁺，受主掺杂不仅产生了建立内建电场的缺陷偶极子，还破坏了长程铁电有序，从而促进了HAG-PNRs的形成。这种结构显著降低了畴翻转的能垒，进而减小了材料的滞后应变。此外，通过工程设计三相共存（R−T−C）结构，进一步降低了畴重新取向的能垒。这些策略的结合成功实现了近零滞后应变。

五、作者及研究团队简介

曾芳芳（通讯作者）、贵州大学大数据与信息工程学院，特聘副教授。长期致力于力于高性能压电材料、电致应变材料、储能材料的研发，机器学习及相场模拟仿真，在本领域发表了高水平论文20余篇。主要研究缺陷形式、相结构组成以及畴形态与尺度对电性能的作用机制，揭示高压电与电致应变性能的起源。

研究方向：高性能压电材料、电致应变材料、储能材料，机器学习及相场模拟仿真。

个人主页：https://eie.gzu.edu.cn/2024/0625/c21642a220720/page.htm

作者邮箱：ffzeng@gzu.edu.cn

作者ORCID：0000-0003-3368-183

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王大伟（通讯作者）、哈尔滨工业大学长聘教授，博士生导师。先后入选科睿唯安全球高被引科学家名单、全球前2%顶尖科学家榜单等。主持国家自然科学基金等项目10余项。目前担任Journal of the American Ceramic Society等多个国际期刊的副主编或编委。中国仪表功能材料学会电子元器件关键材料与技术专业委员会资深常务委员、中国电子材料与元器件产学研协同创新平台理事。从事新型能量传输、存储、转换、收集用先进电子材料及相关元器件研究，以第一或通讯作者身份在Chemical Reviews、Nature Communications、Physical Review Letters、Advanced Materials等国际期刊发表学术论文100余篇，同行引用超过1万次，谷歌学术h指数68。申请及授权国内外发明专利20项。

研究方向：从事精密仪器及能量存储转换用先进电子材料及元器件，包括介电、压电、铁电、多铁材料及MLCC、LTCC、驱动器、换能器、天线等。包括新型高性能材料及元器件的设计、计算、仿真、制造，构建成分-结构-性能关系。高性能压电材料、电致应变材料、储能材料，机器学习及相场模拟仿真。

个人主页：https://homepage.hit.edu.cn/wangdawei

作者邮箱：wangdawei102@gmail.com

作者ORCID：0000-0001-6957-2494

范桂芬（通讯作者）、华中科技大学光学与电子信息学院教授、博士生导师。研究领域主要集中在铁电压电材料与器件、新型能源转换与储能技术等方面。先后主持承担国家自然科学基金青年和面上项目、国家重点研发计划课题、湖北省重点研发计划重点项目、湖北省自然科学基金面上项目、武汉市电子信息产业发展资金项目、航天科工联合基金、装备预研教育部联合基金等20余项。在国内外重要学术刊物Chemical Engineering Journal、ACS Sustainable Chemistry and Engineering、Applied Physics Letters、Journal of the European Ceramic Society等发表学术论文40余篇，授权发明专利近10项。参与编写《电子材料物理》教材一部。

研究方向：铁电压电材料与器件、新型能源转换与储能技术。

个人主页：http://faculty.hust.edu.cn/fanguifen/zh_CN/index.htm

作者邮箱：Fan_gf@mail.hust.edu.cn

作者ORCID：0000-0002-0262-0292

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

1） He R, Guo H, Yao Z, et al. Negligible-hysteresis piezoceramic achieved by multiphase assisting and domain configuration manipulating. Journal of Advanced Ceramics, 2025, 14(10): 9221160. https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221160

《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，清华大学出版社有限公司出版，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；2026年入选北京市支持高水平国际科技期刊建设（强刊提升）项目。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有限公司自主研发、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。