压电陶瓷具有独特的机电转换特性，是电子信息、人工智能、医疗健康等领域不可或缺、不可替代的关键功能材料之一，在国民经济和国防建设中已获广泛应用。根据2019年美国BCC市场分析报告显示，2018年全球压电器件市场为260多亿美元，并预测到2027年将增长到420多亿美元。压电材料和器件对我国尤显重要，我国是压电材料及器件的生产、使用和出口大国。目前，应用最广泛的压电陶瓷是以锆钛酸铅（Pb(Zr,Ti)O3, PZT）为代表的铅基压电陶瓷，这些材料在制备、回收和废弃的过程中都会给环境和人类健康带来严重损害。为了满足环境保护和社会可持续发展的迫切需要，包括我国在内的多国政府已经在电气电子产业领域推进了一系列无铅化的法律性规定。到2019年底，部分电子产品（如芯片、电子焊料、电子浆料等）已实现了无铅化，但是压电材料领域至今尚未发现可以完全替代PZT基陶瓷的无铅压电材料。因此，压电陶瓷无铅化已成为国际功能材料领域的重要科学前沿和技术竞争焦点之一。我国“第十四个五年规划”和“二〇三五年远景目标”中专门提到“创新驱动发展”、“绿色发展”、“推进重点行业和重要领域绿色化改造”，实现“绿色中国”、“美丽中国”、“绿色制造”的发展目标。因此，积极开展压电陶瓷无铅化研究，高度符合国家发展战略目标。

铌酸钾钠（(K,Na)NbO3, KNN）由于具有较好的电学性能、环境友好等特性，被认为是最有前途制作压电相关器件的重要候选环境友好型材料之一。近年来，研究者提出了KNN基无铅压电陶瓷的新型相界设计与构建新思路，实现了压电性能的连续突破（Wu et al, Chem. Rev. 2015, 115, 7, 2559; Wu et al, Chem. Soc. Rev., 2020, 49, 671）。但是KNN基陶瓷自1954年被发现以来，由于相界对温度的依赖性，致使其压电系数（d33）温度稳定性差的难题一直无法解决。针对如传感器、换能器等应用，除了高压电系数（d33），优异的压电系数温度稳定性也是压电陶瓷满足器件应用的重要指标。因此，在保证高压电系数的前提下，如何提升其压电系数的温度稳定性一直是该类陶瓷研究的重点和难点。室温下新型相界的构建虽然极大提升了KNN基陶瓷的压电系数，但其多晶型相界的本征特性会导致其温度稳定性的大幅度降低。因此，设计新方法来解决KNN基无铅陶瓷严重的压电系数温度敏感性具有重要的科学意义和实用价值。鉴于相界设计与构建是实现其压电性能提升最有效的方法，如何利用相界设计来实现压电系数温度稳定性的提升成为研究重点。过去研究者通过构建具有弥散相变的多相共存改善了KNN基陶瓷压电系数（d33）的温度稳定性，但在25~100 ℃内d33的衰减仍然大于27%。为了彻底解决KNN基陶瓷压电系数温度稳定性差的难题，四川大学铁电压电材料与器件特色团队吴家刚教授提出了利用流延工艺构建具有成分梯度的多层复合陶瓷并成功诱导出梯度变化的相结构从而获得优异温度稳定性的新策略（图1和图2），实现了迄今为止KNN基陶瓷最为优异的压电系数温度稳定性（室温到100 ℃，压电系数d33几乎保持不变）（图3）。结合结构表征和相场模拟（图4），认为这种优异的压电系数温度稳定性来源于结构梯度变化诱导出的连续相变以及各组分层的协同互补效应。

图1. 设计动机与思路：(a, b) 多晶型相界(PPB)引起KNN基陶瓷的温度不稳定性；(c, d) 构建成分梯度多层复合材料，实现连续相变，进而在KNN基陶瓷中提升d33温度稳定性的新设计思路。

图2. (a) 抛光热腐蚀后的多层复合材料的截面SEM图像，内嵌图为各组分层放大的SEM图像；(b) 沿多层复合材料截面测量各组分层的PFM相位图像；(c) 沿多层复合材料截面采集的微区X射线衍射图及相应照片；(d, e) 沿多层复合材料横截面方向的拉曼线扫描结果：(d) 3D表面彩色图（下）及投影（上），(e) 拉曼位移范围从400到800 cm−1的拉曼峰υ1和υ2，黑色虚线箭头代表从组分层Ⅰ到Ⅳ；e的右边是沿多层复合材料厚度方向的拉曼位移和半峰宽。

图3. (a、b) 单组分(I, II, III, IV)的原位ε/εmax-T和d33-T，温度范围为20~150 ℃；(c) 成分梯度多层复合材料(I-II-III-IV)的原位εr-T和d33-T，温度范围为20 ~ 150 ℃；(d) (I-II-III-IV)和其他报道的陶瓷的原位d33-T (所选材料体系的室温d33大于200 pC /N)；(e) 本工作和其他报道的KNN基陶瓷 d33在25-100 °C的温度内的变化[Δd33(%)]；(f)沿多层复合材料厚度方向测量的写畴后的PFM相位图（测试温度略低于各组分层TO-T）。

图4. 成分梯度多层复合材料(I-II-III-IV)的相场模拟：(a) d33随成分和温度变化的三维表面彩色图；(b)多层复合材料及相应的单组分的平均d33随温度的变化；(c)多层复合材料的相分数随温度的变化。

上述研究成果发表在Advanced Materials 上，四川大学吴家刚教授和澳大利亚伍伦贡大学张树君教授为该论文的通讯作者，四川大学青年教师郑婷和四川大学硕士研究生余运刚为论文的第一作者。同时感谢西安交通大学李飞教授对相场模拟给予的帮助和支持。

原文：

Compositionally Graded KNN-based Multilayer Composite with Excellent Piezoelectric Temperature Stability

Ting Zheng, Yungang Yu, Haobin Lei, Fei Li, Shujun Zhang, Jianguo Zhu, and Jiagang Wu

Adv. Mater., 2022, 34, 2109175, DOI:10.1002/adma.202109175