壓電材料在高精度傳感與驅動器件、儲能電容、換能器等領域具有重要的應用。在過去幾十年，鉛基壓電陶瓷由于優異的性能占據了主要的市場。無鉛壓電陶瓷具有環境友好性，在取代傳統鉛基材料上具有巨大潛力。然而，在理論機制上，其設計理念沿用傳統鉛基材料，近年來在關鍵性能上遭遇瓶頸，其應用性能與鉛基材料相比仍存在較大差距。中南大學粉末冶金研究院張斗教授團隊深耕無鉛壓電陶瓷領域，自2024年8月至2025年1月，連續在國際權威期刊《自然通訊》（Nature Communications）聚焦無鉛壓電陶瓷領域發表研究成果。團隊提出隱藏在平均結構下的原子尺度的“局部鐵電畸變”理論，并成功應用于多種無鉛壓電鐵電材料，實現了在壓電、儲能和應變性能上的顯著提升，這些成果將對未來無鉛陶瓷的設計與大規模應用產生重要推動作用。論文合作者包括清華大學南策文院士、林元華教授，澳大利亞伍倫貢大學張樹君教授，北京理工大學黃厚兵教授以及北京科技大學祁核副教授等。

高熵儲能陶瓷超高儲能密度：從“無序”到“有序”

現代電子設備對高性能電容器的需求不斷增加，特別是在脈沖功率系統、電動汽車和光伏發電等領域。然而，傳統陶瓷電容器在能量儲存密度和效率等方面存在顯著局限性。最近，高熵鐵電陶瓷在協同提升儲能性能上展現出巨大潛力。然而，大多數研究把高熵效應等同于平均結構的變化，忽略了元素化學有序性和極化異質性之間的關系及其對性能的影響機制。受高熵合金中元素短程有序啟發，該團隊提出一種高熵陶瓷中化學短程有序策略，調控極化響應，從而獲得超高的儲能密度——16.4 J/cm3和效率——90%，為未來高熵弛豫鐵電陶瓷的設計提供新的思路。

化學短程有序及超高的儲能性能

無鉛壓電陶瓷協同提高壓電系數和溫度穩定性：原子尺度鐵電畸變理論

該團隊通過深入分析摻雜引起的局部結構變化，從理論上證明了隱藏在平均相結構中兩種不同的原子尺度鐵電畸變，并闡明了這些畸變如何與相界相互作用。設計的鈮酸鉀鈉陶瓷在室溫到100℃實現了優異的壓電系數d33——430pC/N及穩定性△d33——7%，通過退火進一步優化，將溫度提高到150℃（△d33——8%），同時保持d33——380pC/N，可與經典的鉛基陶瓷PZT-5A相媲美。

局域鐵電畸變理論

低遲滯大應變無鉛壓電陶瓷

針對無鉛陶瓷大應變與低遲滯性難以同時兼得的難題，該團隊以遍歷弛豫態的鈦酸鉍鈉-鈦酸鍶陶瓷作為研究對象，基于其應變遲滯低、穩定性優異的本征優勢，結合晶粒核殼結構和晶格缺陷結構調控打破其低應變和高驅動電場瓶頸。獲得了低電場下（3——5kV/mm）大信號壓電應變系數≥1000pm/V，且應變遲滯<10%。該低遲滯高應變還表現出近零的殘余應變、良好的溫度和循環穩定性。

優異的綜合驅動性能