本方向由周学凡副研究员负责，主要针对传统铅基压电陶瓷在制造和和废弃处理过程存在的铅污染问题，开发高性能无铅压电陶瓷新体系，完成铅基产品替代。该方向在工信部产业链创新协同专项、湖南省科技计划项目和博士后创新人才支持计划等项目支持下，开发了多种大压电系数、大机械品质因子、高场致应变、高能量存储和超高温无铅压电陶瓷新体系，揭示陶瓷材料中优异电学性能的微观结构起源，建立压电陶瓷相组成、畴结构、局域结构、缺陷结构等与宏观电学性能的相关关系，研制高性能无铅压电驱动器、超声雾化片、介电电容器和高温传感器。具体研究方向如下：
1）钛酸铋钠基弛豫铁电陶瓷及其驱动性能优化研究
利用相结构调控与晶粒取向生长实现了钛酸铋钠Bi0.5Na0.5TiO3（BNT）基陶瓷的电致应变性能优化，并探明陶瓷微观结构与应变性能的构效关系。
例如在(1-x){0.76BNT-0.24SrTiO3}-xNaNbO3 (0≤x≤0.03)体系中，采用固相法制备了非织构陶瓷，利用流延成型与叠堆工艺制备了具有不同NaNbO3籽晶含量的<001>取向织构陶瓷。系统研究了NaNbO3含量和陶瓷织构化对相结构、畴结构、场致相变行为以及应变性能的影响。结果表明，NaNbO3含量的增加有效提升了陶瓷的遍历弛豫性，非织构陶瓷中x = 0.01时应变值达到最大~0.24 %，驱动电场为4 kV/mm, 但应变迟滞高达76 %；x至0.03时，应变迟滞降低至47 %，但应变值也降低至0.19 %。在织构陶瓷中，NaNbO3籽晶含量越高，陶瓷织构度越大，x = 0.03时织构度达到87 %，此时陶瓷中存在核壳结构，核为NaNbO3籽晶，壳为遍历弛豫态的BNT基体，其中R3c/P4bm纳米铁电畴共存。陶瓷织构化能够降低弛豫-铁电转变所需电场，有利于促进弛豫-铁电相变，从而补偿了由于遍历弛豫性增强引起的应变损失，最终在x = 0.03遍历弛豫织构陶瓷中实现了最优化的应变性能，4 kV/mm下应变为0.3 %，d33*达720 pm/V，应变迟滞~43%。
图1 (1-x){0.76BNT-0.24SrTiO3}-xNaNbO3 (0≤x≤0.03) 非织构与织构陶瓷的(a)XRD图谱、(b)双极应变曲线、最大应变Smax、负向应变Sneg、(c) d33*与应变迟滞值；(d) x = 0.03织构陶瓷的低倍TEM像，可观测到核壳结构，核为NaNbO3籽晶，壳为BNT基体；(e) BNT基体的高倍TEM像，存在纳米畴结构；(f, g) BNT基体在[110]和[111]取向的高分辨原子像和选区电子衍射花样，1/2{ooo}和1/2{ooe}超点阵的存在证明了R3c与P4bm相的共存；(h)核壳界面区域的放大TEM像；(i, j) Area 1和Area 2在[110]取向的高分辨原子像，可看出NaNbO3核与BNT基体具有相同的[001]晶格优先取向且NaNbO3核中存在90o反铁电畴；(k)畴②与③的选区电子衍射花样，存在1/4(00l) 超点阵，证明NaNbO3核的反铁电Pbma对称性
2）钛酸铋钠基弛豫铁电陶瓷及其储能性能研究
遍历弛豫态的BNT基铁电陶瓷具有高饱和极化、低剩余极化和可控的极化迟滞性，非常适用于能量存储，并随温度升高表现出弥散相变行为，有望通过固溶和掺杂改性显著优化其介电常数的温度稳定性，将温稳区间拓宽至300 ℃以上，从而应用于宽温稳定型的多层陶瓷电容器（MLCC），突破当前商业化钛酸钡基MLCC的温度使用限制（<200 ℃）。采用了固溶/掺杂改性、核壳结构调控、陶瓷细晶化和0-3型复合陶瓷设计等手段，在晶粒、铁电畴和晶格尺度上进行调制，优化其介电常数温度稳定性、极化遍历弛豫性、抗击穿和绝缘特性，获得高性能的BNT基介电储能陶瓷材料，已取得系列研究成果。
例如将ZnO加入0.55BNT-0.45Sr0.7Bi0.2□0.1TiO3，在ZnO的助烧作用下，陶瓷的烧结温度由1160 ℃降低至1060 ℃，平均晶粒尺寸由760 nm降低至330 nm，有利于抗击穿电场的提升。由于Zn2+的掺杂，ZnO改性陶瓷具有更活跃的极性纳米微区，有利于极化迟滞的降低。此外，ZnO改性陶瓷呈0-3型复合结构，存在TiZn2O4和Bi2Ti2O7第二相，均为具有高绝缘性能的线性电介质，有利于提高整体绝缘电阻率，并推迟极化饱和。由于烧结温度降低，部分陶瓷晶粒中出现了明显的元素偏析，呈现出核壳结构，核心区具有很高的Sr2+/（Bi3+，Na+）比值和较低的极化幅度，也有利于推迟极化饱和。在晶粒、铁电畴和晶格多尺度上实现的结构调制使ZnO改性陶瓷的介电储能性能得到了全面优化。添加10mol% ZnO的改性陶瓷呈现最优化的介电与储能性能：在25~320 ℃范围内介电常数稳定在~1800，在53~315 ℃范围内介电损耗低于0.02；在40 kV/mm电场下实现了5.84 J/cm3的可回收能量密度和93 %的储能效率。利用ZnO改性0.55BNT-0.45Sr0.7Bi0.2□0.1TiO3陶瓷体系和流延成型工艺成功制备了BNT基MLCC。
图2 (a-f) 0.55BNT-0.45SBT+xmol%ZnO (x=5–20)体系中x = 0和x = 10陶瓷初始状态的PFM相位图、相位分布曲线以及写畴后的PFM相位图，可以看出x = 10陶瓷中的纳米畴分布更均匀、遍历弛豫性更强；(g) x=10陶瓷的低倍TEM像和EDS面扫结果，可看出第二相的存在以及由于Sr元素分布不均引起的晶粒核壳结构；(h)核壳结构晶粒的放大TEM像，可观测到均匀分布的极性纳米微区；(i) 核壳边界处沿[100]取向的HAADF-STEM像，可确定A位和B位阳离子位置；(j)由(i)图计算得出的极化矢量分布图，核壳区域存在明显极化梯度，核区极化幅值较低； x = 0和x = 10陶瓷的(k)变温电阻率和(l, m)铁电电滞回线和储能性能；(n, o)所制备MLCC的照片和断面SEM像
3）铌酸钾钠基铁电陶瓷及其压电性能优化研究
无铅压电陶瓷体系中，铌酸钾钠K0.5Na0.5NbO3 （KNN）经过多元素掺杂和多晶型相界调控，已经获得了可与商业铅基压电陶瓷媲美的压电性能，然而，KNN基压电陶瓷仍面临着难以同时获得高压电系数与优异温度稳定性、机械品质因子偏低的技术瓶颈问题，且不明晰相界调控下关键掺杂离子的选取和背后物理机制。本团队目前开展的代表性工作：设计制造单一正交相的(K0.5Na0.5)0.98Li0.02Nb0.82Ta0.18O3，在此基础上采用Cu2+对B位(Nb/Ta)5+受主掺杂，由于电中性守恒形成氧空位，与 B位(Nb/Ta)5+原子形成缺陷偶极子，钉扎铁电畴，进而获得压电系数d33~180 pC/N、机电耦合系数kp~48%、居里温度Tc~310 ℃和机械品质因子Qm~665的良好综合性能。与此同时，在20-280 ℃的宽温度范围内，d33的变化小于20%；直到100 ℃，Qm可以保持大于250，其优越的综合机电性能使该KNN基陶瓷具有在高功率和高频领域具有实际应用前景。
图3 (K0.5Na0.5)0.98Li0.02Nb0.82Ta0.18O3+x CuO陶瓷的性能分析：（a）d33与Qm值；（b）d33的温度稳定性；（c）未掺杂陶瓷的综合压电性能；（d）CuO掺杂陶瓷的综合压电性能
4）高温压电陶瓷及其传感性能优化研究
针对我国目前高温压电加速度传感器品种单一（260℃和482℃系列）、650℃以上传感器件缺失问题，以及现有器件面临高温、复杂应变和噪音环境等导致的性能下降、传感精度不足、灵敏度漂移现象，研发高温应用高性能压电陶瓷及压电加速度传感器，突破压电陶瓷材料体系设计及优化、压电陶瓷工艺优化等关键技术，研制出高居里温度Tc、高压电系数d33、高绝缘电阻的压电陶瓷材料，并开发高温压电加速度传感器元器件。团队主要研究的体系包括BiFeO3-BaTiO3、BiScO3-PbTiO3等钙钛矿体系和CaBi2Nb2O9基铋层状体系。
例如利用复合离子掺杂改性CaBi2Nb2O9基高温无铅压电陶瓷，离子掺杂增强晶格畸变，降低氧空位浓度，提高陶瓷极化强度和极化效率，Tc~950 ℃，室温d33达12 pC/N，在室温-800 ℃的超宽温度范围内，d33保持不变，且陶瓷至500 ℃直流电阻率ρ仍高于107 Ω•cm；织构改性CaBi2Nb2O9基高温无铅压电陶瓷，陶瓷沿<001>方向取向生长，将织构陶瓷沿着垂直于<001>方向极化，d33高于25 pC/N，Tc达950 ℃；通过MnO2掺杂改善BiFeO3-BaTiO3高温压电陶瓷烧结特性、细化晶粒、有效提升绝缘电阻、降低损耗，结合后淬火处理工艺成功制备出高温下保持良好绝缘特性和高压电活性的陶瓷材料，Tc~600 ℃，d33~95 pC/N，d33稳定至350 ℃；利用自主研制的掺杂改性CaBi2Nb2O9陶瓷环作为结构敏感单元，组装高温压电传感器，500 ℃的环境条件下，在预紧力为0.5 N.m时，80Hz频率下测得的振动灵敏度为44 μV/g。
图4 CaBi2Nb2O9基非织构与织构高温压电陶瓷的微观结构和压电性能，以及利用非织构陶瓷制备的加速度传感器