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近日，crown皇冠体育平台crown皇冠体育平台郭金明教授团队在国际期刊《Nature Communications》发表题为《Oxygen vacancy-induced strengthening and toughening in (K,Na)NbO₃-based piezoceramics revealed via nanoindentation》的研究成果。crown皇冠体育平台为第一单位，硕士研究生张志东和博士研究生杨滨为论文共同第一作者，crown皇冠体育平台郭金明教授、奥地利科crown皇冠体育平台张灶利教授为共同通讯作者（图1）。

图1 论文首页

铌酸钾钠（KNN）基压电陶瓷因其优异的机电转换性能和环境友好性，在传感器、执行器、换能器等众多领域扮演着关键角色。然而，其固有的脆性问题严重制约了器件的可靠性和使用寿命，提升其力学性能已成为该领域的重要科学问题。本研究运用纳米压痕技术精确表征陶瓷的本征微观力学性能。纳米压痕技术与传统宏观力学性能表征方法相比具有微纳米尺度的空间分辨率，可以排除材料表面缺陷对力学性能测试的影响，从而得到材料的本征微观力学性能，适用于研究材料的位错行为等微观变形机制。

图2 KNN基压电陶瓷的微观力学性能及原子尺度结构

本研究通过掺杂CuO实现对KNN基压电陶瓷的氧空位浓度调控。纳米压痕结果表明，氧空位降低了陶瓷的最大剪切应力和激活体积，证明氧空位对陶瓷位错成核和激活具有促进作用。同时，氧空位的引入提升了材料的硬度和蠕变应力指数，降低了材料的应变速率敏感性和稳态蠕变速率，表明材料的微观抗塑性变形能力得到提升（图2）。同时，材料在宏观尺度上的断裂韧性和抗弯强度也得到提升，证明引入氧空位后材料的宏观抗塑性变形能力也得到提升。通过密度泛函理论计算揭示了氧空位通过降低KNN基压电陶瓷的位错形成能和临界滑移驱动力，使陶瓷内位错更易于成核和激活，增强了位错和氧空位之间的固溶强化和钉扎作用，从而实现陶瓷力学性能的综合提升。

据悉，郭金明教授团队此前在陶瓷领域知名期刊《Journal of the American Ceramic Society》上发表的关于功能陶瓷力学性能的研究论文被评选为2024年主编精选论文奖（Editor-in-Chief’s Choice）。郭金明教授长期致力于高性能铁电压电陶瓷、介电储能材料和透射电镜表征技术的研究，近五年在《Nature Communications》、《Advanced Materials》等期刊发表论文70余篇。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-62424-3

https://doi.org/10.1111/jace.19865

（审稿：鲁力格格）