西安交大&西工大联手破解压电材料难题

西安交大&西工大联手破解压电材料难题

西安交通大学和西安工业大学在压电材料研究领域取得重大突破。西安交通大学刘明教授团队研发出一种新型压电纳米发电复合薄膜，解决了传统压电材料在柔性设备应用中的局限性。与此同时，西安工业大学与西安交通大学联合科研团队成功生长出大应变无铅压电单晶，为环保型电子材料的发展开辟了新路径。这些研究成果不仅提升了能量收集器的性能，更为未来的柔性电子设备和可穿戴设备提供了强大的技术支持。

随着可穿戴电子设备和物联网传感器的不断发展，对于微小能量采集技术的需求也在急剧增加。压电能量收集器以其高能量转换效率和良好耐用性，在众多解决方案中脱颖而出，成为了研究的热点。压电能量收集器的核心价值在于能够将机械能转换为电能，为微型化设备提供自给自足的电源。传统的无机压电材料如钛酸钡（BaTiO3）和锆钛酸铅（PZT）虽具有出色的压电性能，但其硬而脆的力学性质限制了它们在柔性设备上的应用。相比之下，柔性有机压电材料如聚偏氟乙烯（PVDF）虽然具备良好的柔性和生物相容性，但其较低的压电系数影响了能量转换效率。因此，如何构建出用于压电纳米发电机的新型柔性复合材料体系，既能保持高效能量收集，且兼具优异柔性力学特性，仍是亟待解决的难题。

西安交通大学电子科学与工程学院刘明教授团队针对这一难题，提出了创新性的解决方案。他们采用水溶牺牲层技术和热压转印工艺，将自支撑BaTiO3单晶薄膜与聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物（PVDF-TrFE）复合，形成独特的三明治结构。这种结构在挠曲电效应和压电效应的协同作用下，展现出了优异的能量收集性能。

实验结果显示，该复合薄膜在弯曲模式下产生的电压高达15.1V，电流达到2.39μA，功率密度为17.33μW/cm2，性能相较于纯PVDF-TrFE提高了8.8倍。更令人振奋的是，耐久性测试表明，经过2000次的弯曲循环后，该设备仍能维持大约15V的稳定输出，展现出极高的可靠性和稳定性。

这一突破性成果已发表在国际著名学术期刊《先进功能材料》上，不仅为可穿戴设备提供了长期稳定的能量来源，更为开发基于自支撑功能氧化物薄膜材料的柔性信息存储、智能传感、光电探测等新型柔性功能器件开创了新的思路。

在环保意识日益增强的今天，无铅压电材料因其环境友好性而受到广泛关注。传统的含铅压电材料虽然性能优越，但其环境和健康风险不符合可持续发展战略。为了替代传统的Pb(Zr,Ti)O3基材料，科研人员一直在探索低场驱动的无铅压电材料，然而，传统的无铅压电陶瓷材料制备的致动器往往难以获得在低驱动电场下的高电致应变输出。低的驱动电场不仅可提高致动器的耐久性，而且还可以将其应用范围扩展到手机、相机等消费类产品。因此，开发在低驱动电场下具有高电致应变值的无铅压电陶瓷材料对推动压电驱动器无铅化进程具有重要意义。

西安工业大学与西安交通大学联合科研团队在这一领域取得了重要进展。他们通过在钙钛矿型无铅压电陶瓷中引入高电负性B位取代元素的方法，成功提升了锶掺杂的铁电铌酸钾钠基陶瓷（K0.49Na0.49Sr0.02Nb0.99M0.01Ox，简写为KNSN-M，M为B位取代元素）在低电场下的电致应变性能。其中，KNSN-Sb材料在1 kV/mm的低电场下实现了1000 pm/V的超高逆压电系数，同时具有优秀的温度稳定性、频率稳定性和疲劳抗性，领先于无铅压电陶瓷甚至优于现有的商用铅基压电陶瓷（~850 pm/V）。研究团队进一步采用了多尺度结构表征技术，揭示了材料在低场下产生大应变的物理机制。研究结果表明，Sn/Sb等高电负性B位取代元素提高了B-O键的共价性，破坏了长程铁电有序结构并引入局部铁电相多相共存，产生了大量的纳米畴结构，有利于在外加电场铁电畴和缺陷偶极子的一致排列，从而提高了材料在低电场下的电致应变响应。该研究不仅为压电致动器的无铅化和应用需求提供了新的解决方案，还为铁电畴的结构调控提供了新的视角。

这一研究成果发表于国际材料学科领域著名学术期刊《Acta Materialia》，不仅展示了我国在无铅压电材料研究领域的创新能力，更为环保型电子材料的发展开辟了新的路径。这种高性能无铅压电单晶有望在未来的消费电子产品、医疗设备和工业自动化领域得到广泛应用，推动整个行业的绿色转型。

西安交通大学和西安工业大学在压电材料研究领域的突破，不仅解决了传统压电材料在柔性设备应用中的局限性，还为环保型电子材料的发展开辟了新路径。这些研究成果将为未来的柔性电子设备和可穿戴设备提供强大的技术支持，推动整个行业的绿色转型。

随着5G通信和物联网技术的快速发展，高性能压电材料的需求将持续增长。西安交通大学和西安工业大学的这些研究成果，不仅展示了我国在压电材料研究领域的创新能力，更为相关应用产业的未来发展提供了新的动力。可以预见，这些突破将为我国在新一轮科技革命和产业变革中赢得先机，为建设科技强国贡献力量。