壓電陶瓷是一類能夠?qū)崿F(xiàn)電能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的功能材料，因其優(yōu)異的機(jī)電耦合性能被廣泛應(yīng)用于致動器、傳感器等精密驅(qū)動領(lǐng)域，受到廣泛研究與關(guān)注。然而，目前高性能壓電陶瓷大多為鉛基材料（如鋯鈦酸鉛，PZT），正受到日益嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)限制；而無鉛壓電陶瓷雖環(huán)境友好，卻普遍存在電致應(yīng)變偏低（通常小于0.5%）、應(yīng)變滯回較大（常高于20%）以及熱穩(wěn)定性較差等問題，嚴(yán)重制約了其實(shí)際應(yīng)用與發(fā)展。以鈦酸鉍鈉（BNT）為基礎(chǔ)的無鉛壓電陶瓷體系是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一，該類材料在較高外電場下可產(chǎn)生較大的電致應(yīng)變，但其應(yīng)變響應(yīng)往往伴隨著明顯的滯回?fù)p耗，降低了能量效率和驅(qū)動精度。

針對上述挑戰(zhàn)，西安交通大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了一種“相界與缺陷工程協(xié)同”策略，即在調(diào)控材料室溫下非遍歷弛豫相與遍歷弛豫相（NER–ER）相界的同時(shí)，引入缺陷偶極子以優(yōu)化其機(jī)電性能。這一突破性進(jìn)展為開發(fā)適用于先進(jìn)機(jī)電系統(tǒng)的高性能環(huán)境友好型驅(qū)動材料提供了極具前景的設(shè)計(jì)思路。相關(guān)研究成果以《協(xié)同相界與缺陷工程實(shí)現(xiàn)無鉛陶瓷超高電致應(yīng)變》（“Synergistic Phase Boundary and Defect Engineering Enables Ultrahigh Electrostrain in Lead-Free Ceramics”）為題，發(fā)表于《先進(jìn)功能材料》（Advanced Functional Materials）上。

壓電陶瓷依托壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換，在致動器與傳感器等領(lǐng)域扮演關(guān)鍵角色。傳統(tǒng)鉛基材料（如PZT）雖性能卓越，卻因環(huán)境與健康風(fēng)險(xiǎn)面臨淘汰；而無鉛替代材料（如BNT、KNN和BT等）普遍存在電致應(yīng)變不足、滯回高和穩(wěn)定性差等瓶頸。為解決該問題，研究團(tuán)隊(duì)提出協(xié)同調(diào)控策略：一方面通過構(gòu)建形態(tài)相界（MPB）增強(qiáng)極化的靈活性；另一方面借助缺陷工程，引入異價(jià)摻雜離子與氧空位形成的缺陷偶極子，以降低電疇翻轉(zhuǎn)能壘。具體而言，該研究在(Bi0.5Na0.5)0.93Ba0.07TiO3（BNBT）陶瓷中通過B位共取代引入(Sn0.5Sb0.4)4+復(fù)合離子，同步實(shí)現(xiàn)室溫NER–ER相界的精確調(diào)控與缺陷偶極子的有效構(gòu)筑，從而將電致應(yīng)變從通常不足0.5%提升至1.0%以上，并保持良好的可逆性與超低滯回。在優(yōu)化組分（(Sn0.5Sb0.4)4+摻雜量為1mol%時(shí)）下，該材料表現(xiàn)出1.06%的超高電致應(yīng)變、7.2%的超低應(yīng)變滯回和1317 pm/V的等效壓電系數(shù)。微觀機(jī)制研究表明，異價(jià)離子取代誘發(fā)氧空位并形成穩(wěn)定的缺陷偶極子，經(jīng)極化-老化處理后可沿自發(fā)極化方向定向排列，從而降低疇翻轉(zhuǎn)勢壘并增強(qiáng)內(nèi)建電場；相界調(diào)控使NER–ER轉(zhuǎn)變溫度接近室溫，顯著提高了場致相變的可逆性。這兩方面的協(xié)同作用有效解決了無鉛陶瓷應(yīng)變與滯回特性之間的固有矛盾。

該論文基于深入的實(shí)驗(yàn)表征與理論分析，系統(tǒng)探討了相界與缺陷工程協(xié)同策略在無鉛鐵電陶瓷中的調(diào)控機(jī)制。作者通過組分優(yōu)化與極化-老化處理的系統(tǒng)研究，揭示了相界調(diào)制與缺陷偶極子定向排列的協(xié)同增強(qiáng)效應(yīng)。該機(jī)制為理解無鉛陶瓷中超高電致應(yīng)變的起源提供了新視角。在無鉛鐵電致動器材料領(lǐng)域，這一發(fā)現(xiàn)不僅為開發(fā)兼具超高應(yīng)變、超低滯回和高等效壓電系數(shù)的環(huán)保型材料奠定了新的理論基礎(chǔ)，還有望推動精密驅(qū)動與傳感技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新與發(fā)展。

西安交通大學(xué)電子學(xué)院靳立教授、青年教師景瑞軼博士和陜西科技大學(xué)楊海波教授為該論文的通訊作者。西安交通大學(xué)電子學(xué)院博士生聶欣茹為該論文的第一作者。其他參與該研究工作的學(xué)者包括陜西師范大學(xué)楊祖培教授、焦桓教授，華中科技大學(xué)張海波教授等。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、中國博士后科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。