4 月 7 日，西安交通大學李飛教授聯合哈爾濱工業大學常雲飛教授、澳大利亞伍倫貢大學張樹君教授共同在science《科學》期刊在線發表題爲《晶粒定向排列的锆钛酸鉛陶瓷》（Lead zirconate titanate ceramics with aligned crystallite grains）研究論文。該研究提出了通過 " 鈍化 " 模闆來實現 PZT 陶瓷高質量織構化的研究思路，并基于上述方法，研究團隊解決了幾十年來 PZT 陶瓷無法被高質量織構化的學術難題。首次制備出了晶粒沿 <001> 高度擇優取向的 PZT 織構陶瓷，突破了現有 PZT 陶瓷壓電效應與居裏溫度的制約關系。西安交通大學爲該論文的第一單位。
壓電材料是一種能夠實現機械能與電能相互轉換的功能材料，廣泛應用于醫學超聲診斷、精密驅動控制、深海通訊、無損檢測等諸多重要領域。作爲一類最經典的鐵電固溶體，锆钛酸鉛 [ Pb ( Zr, Ti ) O3,PZT ] 陶瓷以優異的壓電性能和較寬的溫度使用範圍成爲了衆多壓電器件的核心材料。由于 PZT 陶瓷的性能直接影響了壓電器件的使用效能，因此增強 PZT 陶瓷的壓電性能對于推動相關器件與系統的升級換代具有重要意義。
通過對陶瓷晶粒的織構化（即：将晶粒沿特定晶體學方向定向排列），充分發揮晶粒物理性質的各向異性，被認爲是進一步提升 PZT 陶瓷壓電性能的關鍵途徑。然而，自上世紀 90 年代至今，人們始終無法制備出晶粒具有高度擇優取向的 PZT 陶瓷，即：PZT 織構陶瓷。具體來說，在陶瓷燒結過程中，PZT 粉體會與傳統钛酸鹽微晶模闆 ( BaTiO3 或 SrTiO3 ) 發生嚴重的固相反應，導緻微晶模闆無法完成引導晶粒定向生長的任務，這也成爲了困擾 PZT 陶瓷織構化工作的關鍵難題。
針對上述問題，西安交通大學電信學部電子學院李飛、徐卓教授團隊與哈爾濱工業大學、澳大利亞新南威爾士大學、伍倫貢大學等單位合作，提出了通過 " 鈍化 " 模闆來實現 PZT 陶瓷高質量織構化的研究思路。
一方面，研制出了一種新型锆钛酸鋇 [ Ba ( Zr, Ti ) O3, BZT ] 模闆，代替傳統钛酸鹽模闆，提高了模闆在 PZT 母體中的穩定性；另一方面，設計了 Zr4+ 含量非均勻分布的 PZT 母體多層結構來代替傳統的均勻結構，使籽晶模闆首先在 Zr4+ 含量較低的 PZT 母體中完成誘導晶粒定向生長的任務，在之後的晶粒生長和陶瓷緻密化過程中，再通過 Zr4+ 和 Ti4+ 離子擴散獲得組分均勻的 PZT 織構陶瓷。
基于上述方法，研究團隊解決了幾十年來 PZT 陶瓷無法被高質量織構化的學術難題，首次制備出了晶粒沿 <001> 高度擇優取向的 PZT 織構陶瓷（圖 1a&b），在準同型相界附近獲得了優異的壓電、機電耦合性能（壓電系數 d33~700 pC/N、g33~90 mV · m/N、機電耦合系數 k33~0.85），以及良好的溫度穩定性（居裏溫度 ~360oC），突破了現有 PZT 陶瓷壓電效應與居裏溫度的制約關系（圖 1c）。本項研究爲諸多先進陶瓷的織構化工作提供了一種新的思路。研制出的高性能 PZT 織構陶瓷不但爲高靈敏度傳感器、換能器的性能提升帶來了新的契機，同時也爲研究 PZT 這類經典鐵電體結構與性能關系提供了重要的基礎材料。
圖 1.a,PZT 織構陶瓷的截面掃描電鏡圖；b,PZT 織構陶瓷同步輻射 XRD{002} 極圖；c, PZT 基織構陶瓷和傳統 PZT 基陶瓷的壓電系數 d33 與居裏溫度的關系；d, PZT 基織構陶瓷和傳統 PZT 基陶瓷的機電耦合系數 k33 與居裏溫度的關系；e, PZT 陶瓷織構、<001> 晶向 PMN – 27PT 單晶以及商用 PZT-5 陶瓷的電緻應變對比圖。
西安交通大學爲該論文的第一單位，西安交通大學電信學部電子科學與工程學院李景雷特聘研究員和李飛教授分别爲論文的第一作者和通訊作者。哈爾濱工業大學常雲飛教授和澳大利亞伍倫貢大學張樹君教授爲論文共同通訊作者。西安交通大學孫軍院士、徐卓教授、丁向東教授、武海軍教授、以及新南威爾士大學 John Daniels 副教授等爲論文共同作者。本項研究工作得到了西安交通大學分析測試中心的大力支持，張楊高級工程師負責論文中的球差校正電鏡實驗和晶胞參數定量分析工作，任子君老師協助完成了陶瓷晶粒取向分析工作。
研究工作是在國家自然科學基金、國家重點研發計劃、西安交通大學青年拔尖人才計劃等項目的資助下完成的，同時得到了金屬材料強度國家重點實驗室和電子陶瓷與器件教育部重點實驗室的大力支持。
