压电陶瓷作为驱动与传感领域的关键功能材料，广泛服务于超声医疗、工业精密加工、海洋声学探测与能量转换等高端装备。常规测试多在小信号条件下进行；然而在大功率工况下，强电-机耦合以及热-力耦合会显著增强，易引发机械品质因数衰减、热积累与疲劳损伤等问题，从而使效率与可靠性受到制约。长期以来，如何制备在大功率条件下性能优异且稳定的压电陶瓷，并厘清其内在影响机制，一直是学界和产业界的难题。

近日，清华大学材料学院研究团队在锆钛酸铅（PZT）基压电陶瓷的大功率性能优化方面取得重要进展。团队采用惰性热压工艺，将烧结温度由1175 ℃ 降至900 ℃；在较低烧结温度、较短保温时间下通过外加压力，制备出致密、细晶且结构稳定性更高的 PZT 基陶瓷。研究系统阐明了大功率性能提升的内在机理，并在最大振动速度与机械品质因数等关键指标上实现显著提升。

研究表明，热压工艺显著改善了材料微结构。如图1所示，热压烧结 PZT 陶瓷（HP-PZT）致密度明显提高、晶粒细化，以四方相为主，同时展现出较常规烧结 PZT（CS-PZT）更好的结构稳定性。变温拉曼与介电温谱测试显示，相较常规样品，HP-PZT 的热稳定性进一步提升，能够在高温下仍保持稳定的介电与铁电特性（图 2）。在高功率驱动下，HP-PZT 表现突出：最大振动速度达到 2.5 m/s，而 CS-PZT 仅为 1.7 m/s；当振动速度为 1.0 m/s 时，其机械品质因数的保持性显著优于常规样品（图 3）。这些结果表明，热压工艺有效提升了压电陶瓷的能量转换效率与高功率稳定性。研究团队进一步通过压电力显微镜（PFM）与X 射线光电子能谱（XPS）等手段揭示了氧空位与畴壁之间的相互作用机制（图 4）：热压诱导的氧空位可在强场下有效“钉扎”畴壁，抑制不可逆畴运动；叠加热压引入的内应力场，共同构成高功率稳定性的核心来源。

该研究不仅提出了压电陶瓷大功率性能提升的新机理，也为相关材料的工艺优化提供了新的思路。未来，基于热压工艺的高性能 PZT 陶瓷有望在超声医疗器械、高强度声纳系统及压电能量转换等领域实现更为广泛的应用。

图1. 热压工艺对PZT陶瓷显微结构与相组成的影响

图2. PZT陶瓷电学性能及热稳定性对比分析

图3. 压电陶瓷在高功率下的测试原理与性能表现

图4. 热压PZT中氧空位与畴结构的多尺度表征

相关成果以“通过热压工艺提升PZT基压电陶瓷的大功率性能（“High-power performance enhancement in PZT-based piezoceramics via hot-pressing”）为题，近日发表在国际知名期刊《自然·通讯》（Nature Communications）上。

北京邮电大学曹婉婷（于清华大学联合培养）为论文的第一作者，清华大学材料学院徐泽博士后、北京工业大学郑木鹏副研究员、北京邮电大学毕科教授为论文的通讯作者。本工作得到了国家自然科学基金、北京自然科学基金和中国博士后基金等项目的支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-64752-w