北工大JMCC综述：高性能BZT-BCT无铅铁电体及其在能源领域的应用

钙钛矿结构的铁电材料具有优异的介电、压电和热释电等特性，在工业、消费电子和军事等领域具有广泛的应用，一直是凝聚态物理和材料科学领域中最为热门的研究方向之一。近年来，随着环境保护意识的日益增强，研发高性能无铅铁电材料成为前沿方向。Ba(Zr,Ti)O₃-(Ba,Ca)TiO₃（BZT-BCT）体系因其具有与PZT材料相媲美的优异压电性能，而受到人们的持续关注。

近期，北京工业大学侯育冬教授和郑木鹏副教授课题组在Journal of Materials Chemistry C期刊上发表了题为“High-performance lead-free ferroelectric BZT–BCT and its application in energy fields”的综述文章，从多角度梳理了BZT–BCT材料的研究进展。该综述从BZT-BCT系统的相结构出发，讨论了高压电性的起源、改性方法（制备工艺、化学掺杂和晶体学织构）、以及其在能量转换和存储领域的应用。最后，作者也对BZT-BCT的发展前景进行了展望。由于在窄的温区范围内丰富的相变，以及容易实现的微结构调整，将有助于揭示普适的无铅铁电材料结构与性能之间的变化规律，为进一步设计新的高性能无铅铁电材料提供指导。

钙钛矿结构的BaTiO₃铁电材料是一种室温具有强铁电性的氧化物铁电体，早在上世纪40年代就被发现，是最早广泛应用的铁电材料。由于高的介电常数和低的介电损耗，一直在介质电容器等领域广泛应用。但是其压电常数仅约为190 pC/N，在压电应用领域迅速被PZT材料所替代。2009年，任晓兵等人报道了一种新型无铅铁电材料0.5Ba(Ti_0.8Zr_0.2)O₃–0.5(Ba_0.7Ca_0.3)TiO₃（BZT–50BCT），该材料具有与PZT类似的三方-四方准同型相界（MPB），并且表现出优异的压电性能（d₃₃ = 620 pC/N，d₃₃^* = 1140 pm/V），被认为是最有可能取代传统铅基铁电材料的无铅体系之一，再次引起人们对BaTiO₃基材料的广泛关注。

目前，BZT–BCT材料研究主要集中在以下方面：（1）通过制备工艺优化，降低陶瓷烧结温度，研究晶粒尺寸效应对压电常数和机电耦合系数的作用规律；（2）通过“软性”或者“硬性”掺杂，提高其综合压电性能，以满足压电器件的应用需求；（3）通过制备具有择优取向的BZT–BCT基织构陶瓷，实现其压电常数、机电耦合系数以及电致应变的提高。

器件应用研究方面，经过科研人员十余年的持续关注及努力，BZT–BCT陶瓷已经广泛地在压电、热释电和介电储能器件应用中被研究。BZT–BCT材料被证明在一定的温区范围内是可行的铅基材料的替代方案。此外，由于其优异的压电性能，BZT–BCT粉体还被作为填料广泛的应用于柔性电子器件研究之中。

图4 BZT-BCT陶瓷的压电能量收集应用

Xiaodong Yan, Mupeng Zheng, Xin Gao, Mankang Zhu, Yudong Hou, High-performance lead-free ferroelectric BZT–BCT and its application in energy fields, Journal of Materials Chemistry C 8 (39) (2020) 13530-13556.

https://doi.org/10.1039/D0TC03461D.

北京工业大学是该综述的唯一完成单位，博士生晏晓东为论文的第一作者，郑木鹏副教授和侯育冬教授为论文的共同通讯作者。近五年，该团队持续在BZT-BCT陶瓷、复合材料及其在能源器件应用领域开展研究工作，相关成果发表于Acta Mater、J Mater Chem C、Nanoscale、Dalton Trans、J Am Ceram Soc、J Eur Ceram Soc等国际知名期刊。上述工作得到国家自然科学基金、北京市自然科学基金、北京市百千万人才计划和北京工业大学高端人才队伍建设计划等项目的资助。

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