用于高频换能器的减小晶粒尺寸的织构压电陶瓷

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超声检查是现代医学的基石，使医生能够实时在体内观测而无需手术或辐射。为了呈现更细微的结构——微小血管、早期肿瘤或精细的眼部构造——超声设备必须以更高的频率工作。但每个探头的核心是将电能与声能互相转换的一种“智能”陶瓷，这类材料在制成适用于极高频率的超薄形态时往往会丧失大量性能。本研究展示了通过精细缩小主流压电陶瓷的内部晶粒结构，如何在超薄层中保持其性能，从而为更锐利、更紧凑的超声工具铺平道路。

为何内部构件如此重要

超声探头中使用的陶瓷具有压电性：受挤压时会产生电信号，施加电压时会发生形变。对于约20兆赫以上的高频成像，换能器中的有源陶瓷层必须比一根人发更薄。传统的“织构”陶瓷通过使许多微小晶体朝向一致来实现优异性能，可与昂贵的单晶相媲美且成本低得多。然而，它们的晶粒通常相当大，跨径为几十微米。当陶瓷被磨薄到高频所需的厚度时，受损的表层和内建应力会开始占据每个晶粒相当大的比例，从而使晶粒内部难以翻转和旋转其电极化方向。其结果是材料在声电转换能力上的急剧下降，这一问题被称为厚度缩放效应。

制备更小且更好取向的晶粒

研究人员通过从底层重设计陶瓷来应对这一问题。他们聚焦于一种名为PMN–PT的高性能材料，这种材料广泛应用于先进的超声设备。为控制晶粒的生长与取向，他们使用了微小的板状钛酸钡颗粒作为模板。经过在熔盐中以精心降低的温度和时间进行的改良“拓扑化学”工艺，制得的模板长度仅约2.7微米——不到通常尺寸的一半。当这些更小的模板掺入PMN–PT粉末并烧结成陶瓷时，所得织构晶粒平均约为7.8微米，比可比织构材料小了50%以上。关键是，这些晶粒仍沿优选方向高度排列，使陶瓷呈现出类似单晶的特性。

在变薄后仍能维持的高性能

在晶粒尺寸被控制后，团队测量了这些新陶瓷在从500微米逐步变薄到仅75微米时的性能表现。新型细晶粒织构陶瓷和传统粗晶粒样品在较厚时都表现出优良的压电响应，大约是相似非织构陶瓷的四倍左右。但随着厚度减小，它们的表现出现分化。在传统材料中，关键的压电系数和介电常数在最薄时下降约三分之一，能量损失明显增大。相比之下，减小晶粒尺寸的陶瓷这些指标仅下降约10–13%，且能量损失保持较低。极化回线和显微成像显示，在细晶粒材料中，尽管存在表面损伤，晶粒内部区域仍能较容易地切换取向，而传统陶瓷中的大晶粒更容易被钉扎并发生部分去极化。

窥见微观机制

为理解更小晶粒为何能带来显著改善，作者分离了晶粒内部与晶界的作用，并探查了微小极化墙的移动难易。电学测试表明，两种材料中晶粒核心的导电行为大致相当，但细晶粒陶瓷具有更高电阻、类似玻璃的晶界区域。按常理说，更多的晶界面积会损害性能。然而，详细的“Rayleigh”分析和纳米尺度力学显微镜表明，域墙——不同极化区域之间的内部边界——在更小的晶粒中移动得更为自由。这种额外的可动性弥补了晶界面积的增加，使陶瓷在实际场强下即便经过大幅变薄后仍能实现完全极化。简言之，缩小内部结构单元形成了一个对表面缺陷和残余应力不那么敏感的域网络。

迈向更锐利、更小巧的超声设备

这项工作表明，通过工程化显微晶粒结构，可以构建在用于非常高频超声所需薄尺寸下仍能保持单晶样性能的织构压电陶瓷。减小晶粒尺寸的PMN–PT陶瓷在适用于20兆赫以上换能器的厚度范围内保持强电机耦合、大应变和稳定行为。由于该模板策略与既有陶瓷工艺兼容，且可扩展到其他先进压电成分，它为制造在体内更深处观察更细节但不牺牲信号强度与可靠性的紧凑型探头提供了切实可行的路径。

引用: Xiao, Y., Yang, S., Wang, M. et al. Textured piezoelectric ceramics with reduced grain size for high-frequency transducer applications. Nat Commun 17, 3750 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70360-z

关键词: 压电陶瓷, 超声换能器, 晶粒尺寸工程, 高频成像, 织构材料