近日，贵州大学材料与冶金学院刘其斌教授团队在陶瓷领域Top期刊《Journal of the American Ceramic Society》公开发表了题为“Electrical property optimization of BaTiO₃-based lead-free piezoceramics by chemical doping”的研究成果。《Journal of the American Ceramic Society》是1918年创办的百年老刊，该研究成果是贵州大学材料与冶金学院首次以第一单位在该期刊发表的论文，通讯作者为刘其斌教授，第一作者为2020级博士研究生蔡恩培。该文的链接为https://doi.org/10.1111/jace.19293，欢迎同行查阅、下载和引用。

该团队以Ba(Hf_0.02Ti_0.98)O₃为基质，引入A-位施主和B-位施主-受主型复合掺杂剂(Nd_0.5Li_0.5)(Li_0.25Nb_0.75)O₃，从而构建(1-x)BHT-xNLN (0 ≤ x ≤ 0.40 mol%)二元铁电体系。首先，通过XRD、SEM、PFM等先进表征手段揭示了不同掺杂量对微观结构的影响规律 (如图1、2、3所示)。然后，研究微观结构的改变对电学性能产生的影响并探讨了内在机理，发现当掺杂量x = 0.10 mol%时，获得良好的压电性能：d₃₃ = 434 ± 22 pC/N, k_p = 46.30%, Q_m = 209.43，当掺杂量x = 0.22 mol%时，获得最大的场致应变：S_uni = 0.0906%，当掺杂量x = 0.40 mol%时，获得最佳的介电性能：ε_r = 3399, tanδ = 4.24 % (如图4、5所示)。

图1 (1-x)BHT-xNLN (x = 0-0.4 mol%)无铅压电陶瓷的XRD谱图。(a) XRD谱图。(b) 44-46°范围内的局部放大XRD谱图。(c-h) XRD Rietveld精修图谱。

图2 经过抛光和热腐蚀处理后x = 0-0.40 mol%样品的截断面SEM图像。(a-f) 截断面的SEM图像。(g-l) 晶粒尺寸统计图。(m-r) 背散射和元素(Ba, Hf, Ti, Nd, Nb, O)分布图。

图3x = 0、0.10和0.16 mol%的代表性样品的平面外压电响应力显微镜(OP-PFM)测试结果。(a)、(d)和(g)形貌图像。(b)、(e)和(h) 振幅图像。(c)、(f)和(i) 相位图像。首先，在整个区域(4.5 × 4.5 μm²)通过-20 V的负偏置电压进行极化以向下翻转铁电畴。然后，在各个区域(1.0 × 1.0 μm²)通过5、10、15和20 V的正偏置电压进行极化以翻转铁电畴。

图4 (1-x)BHT-xNLN (x = 0-0.40 mol%)无铅压电陶瓷的介电温谱测试。(a-f) f = 100-1M Hz时ε_r-T和tanδ-T曲线。(g-l) f = 10k Hz时10⁴/ε_r-T曲线。(m-r) f = 10k Hz时ln(1/ε_r-1/ε_m)与ln(T-T_m)的线性拟合。

图5 (1-x)BHT-xNLN (x = 0-0.40 mol%)无铅压电陶瓷的铁电性能和压电性能测试。(a-e) 室温铁电电滞(P-E)回线、双极电致应变(BS-E)曲线、应变-二次极化(S-P²)曲线、电流-电场(I-E)曲线以及单极电致应变(US-E)曲线的成分依赖关系。(f-l) 在f = 1.0 Hz和E_max = 1.5 kV/mm时，(P_max-P_r)/P_max、P_r、E_c、S_pol、S_pos、S_neg和S_uni随x的变化。(m-r) 室温下ɛ_r、tanδ、ε_rP_r、d₃₃、k_p和Q_m随x的变化。

一审：徐鹏

二审：赵飞

三审：刘剑