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北京科技大学张波萍团队：一步烧结法实现BiFeO3-BaTiO3无铅压电陶瓷的超高综合性能精选

已有 8941 次阅读 2026-5-27 10:40 |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:

Zhang S, Zhang X, Hu J, et al. Ultra-high piezoelectric properties of BiFeO₃–BaTiO₃ lead-free piezoelectric ceramics enabled by a one-step sintering process. Journal of Advanced Ceramics, 2026, https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221302

文章DOI： 10.26599/JAC.2026.9221302

ResearchGate： Ultra-high piezoelectric properties of BiFeO 3 –BaTiO 3 lead-free piezoelectric ceramics enabled by a one-step sintering process

基金支持：

本研究得到了国家自然科学基金项目（批准号：52388201）、国家自然科学基金青年项目（批准号：52302211）以及中央高校基础研究专项资金（批准号：FRF-TP-24-005A）的资助。

一、导读

高性能压电陶瓷在精密驱动领域需求迫切，但传统铅基材料面临环保压力。BiFeO₃-BaTiO₃（BF-BT）无铅体系虽具有高居里温度潜力，却长期受困于高漏导电流与工艺稳定性差的问题。北京科技大学张波萍教授团队创新性采用“一步烧结法”，成功制备了0.7BiFeO₃-0.3BaTiO₃陶瓷。该材料在室温下实现了d₃₃ = 201 pC/N、d₃₃* = 1021 pm/V、应变~0.38%的优异性能，同时保持501℃的居里温度。该研究通过精确的Fe非化学计量缺陷调控，研究进一步揭示了BF‑BT体系的漏导机制以及内建电场对应变行为的协同作用，为下一代高温无铅压电器件提供了理想候选材料。

二、研究背景

精密位移驱动器市场长期由铅基压电陶瓷主导，但环境法规推动了对无铅替代品的研发。BF-BT体系因其较高的居里温度和良好的铁电性备受关注。然而，BiFeO₃在447–767°C热力学不稳定区易分解生成Bi₂₅FeO₃₉或Bi₂Fe₄O₉等非铁电第二相，且Bi元素在高温烧结中挥发，导致高浓度氧空位和Fe³⁺价变价，引起严重的漏导电流，限制其极化及实际应用。

三、文章亮点

（1）工艺创新：摒弃传统多步烧结，使用BaTiO₃直接作为原料的一步烧结法，避开BF热力学不稳定温区，有效抑制杂相生成，工艺窗口宽。

（2）卓越的综合性能：在0.7BiFeO₃-0.3BaTiO₃组分下，实现了高压电常数（201 pC/N）与超高居里温度（~501°C）的协同优化，室温逆压电系数高达1021 pm/V。

（3）缺陷工程新见解：通过设计宽范围Fe非化学计量（-0.05 ≤ x ≤ 0.05），揭示了缺陷偶极子与空间电荷诱导的内建电场对极化前后应变行为的调控机制，获得了高达1481 pm/V（125℃）的高温应变性能。

四、研究结果及结论

针对缺陷和杂相导致高漏导问题，北京科技大学张波萍教授团队使用一步烧结法制备BF-BT陶瓷。与传统工艺不同，该方法直接将排胶、预烧、烧结整合为单一热处理过程，避开了BiFeO₃在447–767 °C的热力学不稳定温区。在此基础上，团队设计并制备了宽Fe非化学计量范围的0.7BiFe_1+xO₃-0.3BaTiO₃（BF_1+x-30BT，-0.05 ≤ x ≤ 0.05）陶瓷，其中负值和正值分别代表Fe缺乏和Fe过量。通过这种极端的非化学计量设计，放大了缺陷效应，便于系统研究缺陷演化规律及其对宏观性能的调控机制

图1 一步烧结法与传统固相烧结工艺对比流程图

通过缺陷和电学测试分析，研究验证了室温至居里温度附近的漏导机制。室温附近载流子主要为空穴。空穴浓度与氧空位浓度直接相关——氧空位越多，为维持电荷平衡而产生的Fe²⁺越显著，空穴浓度越高，漏导电流越大。高温下（>300°C），氧空位本身成为主要载流子，漏导由氧空位的迁移主导。此时，缺陷偶极子对氧空位的“钉扎”能力决定了漏导的高低。

图2 在10 kHz频率下BF_1+x-30BT陶瓷的tanδ-T曲线

同时，研究发现了极化前后应变特性的有趣变化规律。极化前，x = -0.05样品表现出明显的不对称性，正负电场下的应变响应存在显著差异。随着x值增大，这种不对称性逐渐减弱。这一演化规律归因于Fe缺陷含量的变化。极化处理后，所有陶瓷的双极应变曲线均呈现不对称性，且不对称程度与极化前呈现不同规律。极化过程中，晶界处的空间电荷发生重新分布，由此产生另一个内偏电场。在氧空位浓度最低的组分x = 0中，极化后空间电荷形成内偏场的增量最大，其双极应变曲线的不对称性变化最为显著。然而，极化后缺陷偶极子的强烈钉扎取向使得单极应变显著下降。这一发现揭示了极化处理对无铅压电陶瓷性能的双重调控潜力，从而优化特定应用场景下的应变响应。

图3 极化前后BF_1+x-30BT陶瓷的应变特性

通过一步式烧结工艺制备0.7BiFeO₃-0.3BaTiO₃时陶瓷展现出卓越的综合性能，其d₃₃值高达201 pC/N，d₃₃*值高达1021 pm/V。这种性能组合超过了大多数压电型BF-BT陶瓷系统，在包括铁元素不足或过剩在内的各种偏离化学计量比的陶瓷范围内都表现出稳定的性能输出。该陶瓷具有出色的压电性能和高达503°C的居里温度，超过了广泛研究的无铅压电系统，如（K_0.5Na_0.5）NbO₃基和（Bi_0.5Na_0.5）TiO₃基。这使得该材料在高温压电陶瓷领域中具有较强的竞争力。

图4 与BF-BT以及其他压电陶瓷体系的性能对比

五、作者及研究团队简介

张波萍（Bo-Ping Zhang）教授，博士生导师单位：北京科技大学材料科学与工程学院 研究方向：无铅压电陶瓷与器件、热电材料与器件、铁电物理与材料 电子邮箱：bpzhang@ustb.edu.cn ORCID：0000-0003-1712-6868

1990年和1993年获日本东北大学工学部材料系工学硕士学位和工学博士学位，曾任日本东北大学讲师、研究员及日本工业技术院东北工业技术研究所研究员。2003年归国任教，2004年入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”。研究方向涵盖信息功能陶瓷、纳米复合非线性光学薄膜材料、热电材料与器件，主持国家重点研发计划、国家自然科学基金、863计划及973计划等项目，例如国家重点研发计划重点专项“热电材料的结构调控和性能优化”等。在Chemical Communications等期刊发表科技论文320余篇，其中被SCI收录280余篇、EI收录280余篇，被引7140余次（H因子46）。申请国家发明专利77项（授权60项），并有日本发明专利授权2项。2010、2011年连续获北京市科学技术三等奖。北京科技大学任职以来，培养硕士毕业生60人、博士毕业生23人。参与研究成果发表于《自然·材料》等期刊。现任Journal of the American Ceramic Society审稿人。

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

1）Xue M P, TANG Y C, SHAN Z H, et al. Deciphering the leakage conduction mechanism of BiFeO₃-BaTiO₃ lead-free piezoelectric ceramics [J]. Journal of Advanced Ceramics, 2023, 12(10): 1844–1856.

《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。