科学网—南京大学曹文武团队：颠覆高电场驱动极限！“两步走”缺陷工程精准削平相变能垒，解锁BNT基无铅陶瓷0.57%室温超高电应变-清华大学出版社学术期刊的博文

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2026-5-9 11:14

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原文出自 Journal of Advanced Ceramics ( 先进陶瓷 ) 期刊

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Ma Z, Nie W, Sun M, et al. Li + and Nb 5+ co-doped BNT-based ceramic with ultrahigh electrostrain under a moderate electric field. Journal of Advanced Ceramics , 2026, https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221309

文章 DOI ： 10.26599/JAC.2026.9221309

ResearchGate ： Li + and Nb 5+ co-doped BNT-based ceramic with ultrahigh electrostrain under a moderate electric field

经费支持： 本研究由南京大学声功能材料与应用中心建设经费资助。

一、 研究背景

压电陶瓷在纳米级精密位移驱动器、传感器等前沿科技领域扮演着不可替代的角色。然而，占据市场主导地位的铅基陶瓷（如 PZT ）因含有毒铅元素正面临全球性的环保严格限制。在众多无铅替代方案中，钛酸铋钠（ BNT ）基陶瓷因具有强铁电性而备受瞩目。但长期以来， BNT 基陶瓷的实际应用受制于一个严峻的物理瓶颈：由于严重的氧空位缺陷带来畴壁的 “ 硬钉扎 ” 效应，以及材料本身极高的相变能垒，导致其往往需要施加极高的驱动电场（ >80 kV/cm ）才能激发出较大的宏观应变。如何在 “ 中等驱动电场 ” 下兼得 “ 超高电致应变 ” ，成为了无铅压电领域亟待攻克的核心痛点。

二、核心机制

针对上述挑战，本研究团队创新性地提出了一种递进式的 “ 两步走 ”A/B 位共掺杂缺陷工程策略。我们在 Bi 1/2 (Na 0.8 K 0.2 ) 1/2 Ti 0.99 Nb 0.01 O 3 - x LiNbO 3 体系中，首先通过 Nb 5+ 施主掺杂，从热力学源头大幅抑制了氧空位的生成，从而彻底解除了极化翻转过程中的 “ 硬钉扎 ” 限制；随后，战略性地引入离子半径较小的 Li + ，利用巨大的原子级尺寸失配在晶格内激发强烈的局域无规场。这种多尺度微观结构异质性成功将自由能势垒 “ 削平 ” ，并在室温下精准锚定了非各态历经弛豫体（ NER ）与各态历经弛豫体（ ER ）的相界。残余的 NER 晶种作为 “ 活性骨架 ” ，促使高度活跃的极性纳米微区在外部电场下发生了高度可逆的雪崩式宏观相变。

三、性能亮点

凭借这一巧妙的相界与缺陷协同设计，最优组分在 60 kV/cm 的中等驱动电场下，成功爆发出高达 0.57% 的室温下超高单极电应变，其大信号压电应变系数（ d 33 * ）达到了惊人的 952 pm/V 。该应变性能不仅全面超越了绝大多数现有的无铅压电陶瓷体系，更是展现出了替代传统商用铅基压电材料的巨大潜力。本研究不仅为解决无铅陶瓷高驱动电场的顽疾提供了微观物理机制的深度解答，更为下一代高性能、环保型精密驱动器系统的材料设计提供了全新的普适性范式。

四、作者及研究团队简介

文章第一作者为 南京大学声功能材料与应用中心 的博士生 马正秀 ， 曹文武教授和王保明副教授 为共同通讯作者。南京大学声功能材料与应用中心是南京大学在苏州校区组建的第一个研究中心，目前隶属于新成立的先进制造学院，主要研究方向为高性能压电材料、高端超声换能器和超声设备、声动力癌症治疗和新型声敏剂的研发。

《先进陶瓷（英文）》（ Journal of Advanced Ceramics ） 期刊简介

《先进陶瓷（英文）》于 2012 年创刊， 清华大学 主办， 清华大学出版社 出版， 清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室 提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为中国科学院院士、清华大学林元华教授、苏州国家实验室周延春教授、广东工业大学林华泰教授和哈尔滨工业大学张幸红教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被 SCIE 、 Ei Compendex 、 Scopus 、 DOAJ 、 CSCD 等数据库收录。现为月刊， 2025 年发文量为 202 篇； 2025 年 6 月发布的影响因子为 16.6 ，连续 5 年位列 Web of Science 核心合集 “ 材料科学，陶瓷 ” 学科 34 种同类期刊第 1 名； 2024 年 11 月入选 “ 中国科技期刊卓越行动计划二期 ” 英文领军期刊项目； 2025 年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表材料科学 1 区 Top 期刊。 2023 年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台 SciOpen 独家发布，标志着该刊结束多年来 “ 借船出海 ” 的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。

期刊主页： https://www.sciopen.com/journal/2226-4108

投稿地址： https://mc03.manuscriptcentral.com/jacer

期刊 ResearchGate 主页： https://www.researchgate.net/journal/Journal-of-Advanced-Ceramics-2227-8508

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