近日，我校材料学院魏涛教授和郇宇教授团队在无铅压电材料研究领域取得重要突破。相关工作以“Concurrently enhanced piezoelectric performance and curie temperature in stressed lead-free Ba0.85Ca0.15Ti0.9Zr0.1O3 ceramics”为题，发表于国际顶级期刊《Nature Communications》。济南大学为第一完成单位/通讯单位，材料学院博士研究生苏源惠为第一作者，郇宇教授、魏涛教授与澳大利亚伍伦贡大学程振祥教授为该论文的共同通讯作者。《Nature Communications》为《Nature》旗下的综合类子刊，中科院一区TOP期刊，最新影响因子达14.7。

    压电材料作为现代智能传感、医疗成像和能源转换等领域的核心材料，长期以来依赖于铅基压电陶瓷。然而，铅元素的高毒性及日益严格的环保法规要求，推动全球科研力量加速探索无铅替代方案。其中，Ba0.85Ca0.15Ti0.9Zr0.1O3（BCTZ）陶瓷因优异的压电响应成为研究热点，但其性能提升面临关键瓶颈——压电系数（d33）与居里温度（TC）难以同步优化。尽管传统方法如烧结工艺优化、元素掺杂等可改善单一参数，却难以突破性能间的此消彼长困境。如何同时提升d33与TC，成为无铅压电材料领域亟待解决的科学难题。

    针对这一挑战，济南大学郇宇教授和魏涛教授团队创新性地提出“应力工程”策略，通过构建以BCTZ为主相、BaAl2O4为第二相的复合体系，成功实现压电性能与居里温度的协同突破。研究发现，BCTZ与BaAl2O4的热膨胀系数差异在材料烧结过程中形成持续应力，引发BCTZ基体的晶格畸变，显著优化了其相变行为，从而改善了TC和d33。同时，BCTZ/BaAl2O4界面处的局部电场强化了极化效应，而部分Al3+掺入晶格中，这些进一步增强了d33。值得注意的是，优化后的BCTZ陶瓷产生了超高的压电性能（d33 = 650±16 pC N−1, d33* = 1070 pm V−1）以及优异的TC（96.5±1.0 ℃），处于钛酸钡基无铅压电材料领域的前沿。

    该研究通过应力工程策略实现无铅压电陶瓷压电性能与居里温度的协同提升，为突破传统无铅压电材料性能瓶颈提供了新的理论依据和设计思路，对推动高温稳定性的压电材料的产业化应用及智能传感、新能源领域的技术革新具有重要的科学意义和实践价值。

图1 BCTZ-AlN基无铅压电陶瓷的优异压电性能和居里温度

图2 BCTZ-AlN基无铅压电陶瓷的性能优化原理示意图

本研究得到国家自然科学基金、泰山学者青年专家项目和山东省自然科学基金重大基础研究项目的资助。

论文DOI：10.1038/s41467-025-59311-2

（一审：杨 洋  复审：孟祥谦  终审：赵德刚）