近日，清华大学材料学院研究团队在铌酸盐压电陶瓷烧结机理研究方面取得新进展，利用惰性热压工艺成功制备出高致密度的纯 KN 陶瓷，其压电性能达到与纯KNN 陶瓷相当的水平。同时，研究团队在材料内部发现了大量纳米级晶内孔洞，并揭示了其形成与演化机制，为理解铌酸盐压电陶瓷烧结行为及稳定性提供了新的认识。
压电陶瓷广泛应用于传感器、驱动器、能量收集器件、超声器件等领域。其中，铌酸钾钠（ KNN ）基无铅压电陶瓷因兼具优异性能与环保特性，被认为是替代传统铅基材料的重要体系。然而，由于钾（K ）和钠（Na ）在钙钛矿A 位随机占位，使其在理论计算与机理研究中存在较大复杂性。相比之下，铌酸钾（KN ）体系仅含单一A 位离子，同时保留了与KNN 相近的铁电相变行为与电学响应，是研究铌酸盐压电机理的理想模型体系。但长期以来，KN 陶瓷存在致密化困难、易潮解失稳等问题，限制了对其的进一步研究与应用。
研究团队利用惰性热压工艺成功制备出高致密度的热压纯 KN 陶瓷（HP-KN ），相对密度 达99% ，压电系数d 33 达到124 pC·N-1 ，性能显著优于传统常压烧结KN 陶瓷，并接近热压纯KNN 陶瓷水平。研究团队进一步对材料微结构进行了系统分析，发现HP-KN 陶瓷晶粒内部存在大量纳米矩形晶内孔洞，并且这些孔洞沿特定晶体学方向排列。为了厘清晶内孔洞的来源，研究团队对KN 陶瓷从原料、煅烧到热压烧结全过程进行了追踪研究。
研究发现，在500 ℃ 以下的初始反应阶段，随着K+ 向Nb2 O5 晶格扩散，生成的中间相与母相之间存在显著晶格失配，材料内部产生应力，从而诱发微裂纹形成；随着KN 钙钛矿相逐渐生成，这些裂纹进一步演化为无序孔洞，并在持续热处理过程中逐渐转变为具有取向性的长条孔洞，其表面主要沿{100} 晶面取向。在后续煅烧及热压过程中，由于表面能最小化驱动，长条孔洞逐渐向立方体转变。
研究团队还发现，这些晶内孔洞与KN 陶瓷较差的耐湿稳定性密切相关。研究认为，空气退火过程中形成的副产物会在水作用下发生潮解，而晶粒内部的纳米孔洞会作为应力集中源，加速微裂纹扩展和晶粒剥落，最终导致材料宏观失效。
研究通过惰性热压工艺成功制备出高致密度的纯KN 陶瓷。不仅揭示了KN 陶瓷烧结过程中晶内孔洞的形成与演化机制，也建立了晶内孔洞与材料耐湿稳定性之间的关联，为铌酸盐无铅压电材料的稳定性优化与机理研究提供了新的思路。
研究成果以《Evolution of Intragranular Pores in Potassium Niobate Ceramics during Sintering（ 铌酸钾陶瓷烧结过程中的晶粒内部孔洞演化）》为题，于5 月25 日发表于《自然·通讯》（Nature Communications ）期刊上。
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