Simultaneous Enhancement of Piezoelectricity and Mechanical Quality Factor in Hard‐Type KNN‐Based Lead‐Free Ceramics via Hierarchical Domain Architecture

材料科学 压电 陶瓷 领域(数学分析) 压电系数 纳米技术 复合材料 数学分析 数学
作者
Tianyi Feng,Ziqi Yang,Huan Liu,Haofeng Huang,Jinhao Hu,Li‐Feng Zhu,Bo‐Ping Zhang,Jing‐Feng Li
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:35 (30) 被引量:13
标识
DOI:10.1002/adfm.202425699
摘要

Abstract High mechanical quality factor ( Q m ) and low mechanical loss are crucial for the performance of piezoelectric materials in high‐power applications. Although potassium sodium niobate (KNN) based ceramics are promising candidates for lead‐free piezoelectric materials due to their favorable piezoelectric performance and environmental benefits, they traditionally face a trade‐off between high piezoelectric coefficient ( d 33 ) and Q m . To address this long‐standing issue, a multivalent acceptor codoping strategy is presented that innovatively induces hierarchical domain structure in hard‐type KNN‐based piezoceramics, significantly increasing domain wall density and pinning strength while maintaining well‐ordered ferroelectric domain structure, thereby achieving a simultaneous enhancement of Q m , d 33 and thermal stability. The optimized composition possesses a high Q m up to 948 with a d 33 of 132 pC/N, representing improvements of 80% and 25% compared to Cu‐doped samples, and maintaining outstanding performance with Q m > 800, d 33 > 130 pC/N across a broad temperature range of 25–175 °C. Furthermore, our sample retained high Q m performance under high‐power conditions, outperforming several commercial lead‐based ceramics. These results provide new insights into the defect‐domain interaction of hard‐type KNN‐based ceramics and demonstrate their potential for lead‐free high‐power piezoelectric applications.
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