日前，“Advanced Functional Materials”期刊发表中科院上硅所周志勇研究员团队通过自组装造孔工程研发多孔压电陶瓷的进展。该方法不必从外部引入造孔剂，在不显著影响压电性能和机械强度的前提下提升材料综合性能，这给压电陶瓷的设计和器件性能提供了更多主动性和想象空间。

论文地址：https://doi.org/10.1002/adfm.77890

自组装造孔工程的示意图及实验实现（来源：上硅所）

压电陶瓷引入孔隙后可以改善调节性能，因此造孔是面向应用需求的常用材料研制思路。除了最直接也最常见的轻量化，造孔的“结构-功能一体化”还包括：提高压电电压系数和传感灵敏度；实现声阻抗匹配，减少界面反射；降低热导率，减少热冲击；增加比表面积和界面活性，拓展压电催化与能量收集，等等。但压电陶瓷主流造孔（如燃烧聚合物法、冷冻铸造法，甚至增材制造）常遭遇两大困境：一方面是机械强度下降，材料脆化；另一方面孔隙导致电场不均匀，压电活性降低，压电电荷系数下降。

本次研究团队利用化学反应过程中反应物与产物之间的密度差，实现孔隙的自发形成。与传统造孔剂或模板的路线不同，孔隙是在化学反应的热力学驱动下自发形成的，并且孔隙的形成与陶瓷基体的晶格演化在同一化学过程中同步完成。具体原理是在陶瓷前驱体的合成反应中，产物相的摩尔体积小于反应物相的总摩尔体积，体积收缩在材料内部自然留下均匀分布的孔隙。最终获得的多孔铋层状结构Ca₀.₉₄Bi₄.₀₆Ti₄O₁₅（Bi-CBT）陶瓷在30%孔隙率下展现出优异的综合性能，最突出的是压电系数d33（23.1 pC/N），反而高于致密陶瓷；获得的钙钛矿结构BaTiO₃陶瓷实现了0.32 m⁴/C²的超高等效电致伸缩系数，也说明自组装造孔所诱导的晶格软化与畴细化机制不依赖于特定晶体结构，具有作为通用低成本技术路径的潜力。

编译整理 YUXI