铌酸钾钠（K₀.₅Na₀.₅NbO₃, 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。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。
2025年7月31日，湖北大学郭金明团队在Nature Communications发表了题为“Oxygen vacancy-induced strengthening and toughening in (K,Na)NbO₃-based piezoceramics revealed via nanoindentation”的研究论文，团队成员张志东与杨滨为论文共同第一作者，湖北大学郭金明、奥地利科学院张灶利为论文共同通讯作者。
DOI: 10.1038/s41467-025-62424-3
随着环保法规日益严格，传统含铅压电陶瓷材料逐步面临替代压力。铌酸钾钠（KNN）基压电陶瓷因其优异的压电性能与良好的环境友好性，成为当前最具应用前景的无铅压电材料之一。然而，作为典型的陶瓷材料，其力学性能薄弱，存在着严重的脆性问题，容易在加工、使用或极端环境中发生开裂和失效，极大限制了其在实际器件中的可靠性与寿命。传统的强化方法如晶粒细化、第二相弥散增强等往往会导致电学性能的急剧下降。如何在提升力学性能的同时保留甚至优化其压电性能，是长期困扰该领域的关键科学问题。
该研究提出了一种“通过引入氧空位调控位错行为以实现陶瓷强韧化”的新策略。以改性KNN陶瓷体系[(K₀.₄₃Na₀.₅₇)₀.₉₄Li₀.₀₆][(Nb₀.₉₄Sb₀.₀₆)₀.₉₅Ta₀.₀₅]O₃（KNLNST）为研究对象，研究人员通过硬性掺杂的方法在陶瓷中掺入CuO，成功在陶瓷内部引入不同浓度的氧空位，系统研究了氧空位对KNN基陶瓷力学性能的微观调控机制。X射线光电子能谱（XPS）和电子顺磁共振（EPR）测试结果明确表明，随着CuO掺杂量增加，陶瓷中氧空位浓度显著上升，并在0.3 mol% CuO掺杂样品中达到峰值。
图1 宏观维氏硬度测试方法和纳米压痕法的对比以及氧空位浓度的表征
相较于传统的宏观维氏硬度或弯曲强度测试，纳米压痕技术（Nanoindentation）具有纳米级空间分辨率和高度精准的载荷–位移控制能力，能够有效规避由于晶界、气孔等结构缺陷带来的干扰，准确测量材料的本征力学性能。研究发现，引入氧空位后，KNN基陶瓷在纳米压痕载入过程中表现出更早的弹塑转变行为，最大剪切应力τmax和激活体积V*均显著降低。这表明氧空位显著降低了KNN基陶瓷中位错成核与激活所需的能量势垒。
图2 不同氧空位浓度的KNN基陶瓷的初期塑性行为
此外，研究还通过恒载荷下的蠕变行为测试发现，氧空位浓度高的样品的蠕变应力指数n显著升高，稳态应变速率明显降低，说明其对塑性形变的抵抗力更强。氧空位浓度最高的样品纳米压痕硬度也同样优于原始样品，显示出优异的强化效果。值得强调的是，在氧空位带来微观力学强化的同时，材料的宏观力学性能也得到了同步提升：氧空位浓度最高的样品的弯曲强度提升至226.3 MPa，断裂韧性提升至2.12 MPa·m¹/²，远高于原始样品。这一“微观–宏观”尺度协同增强的成果充分验证了氧空位诱导的强化机制在不同尺度上的一致性与有效性。同时，氧空位引入后反而降低了介电损耗，提高了机械品质因数Qm。在强化力学性能的同时，陶瓷依然保持了优异的压电性能，体现出力–电协同优化的效果。
图3 不同氧空位浓度的KNN基陶瓷的纳米压痕硬度和抗蠕变性能
为从原子层面揭示氧空位对力学行为的影响，研究团队结合密度泛函理论（DFT）计算，对氧空位引起的晶体局域结构与位错能垒变化进行了模拟。结果表明：氧空位能够显著降低KNN陶瓷中位错的临界滑移驱动力和位错形成能，从而促进位错成核和激活。此外，氧空位还在位错迁移路径中形成“钉扎点”，抑制位错过度滑移，产生类似于金属中溶质原子强化的效果。
图4 不同氧空位浓度的KNN基陶瓷的临界滑移驱动力和位错形成能计算
基于以上结果，研究团队构建了一个完整的“氧空位–位错协同强化机制模型”：在位错成核激活阶段，氧空位促进位错萌生和位错激活；在位错运动阶段，氧空位对其起到钉扎限制作用，从而实现“先软后硬”的强化–增韧协同效应。
图5 KNN基陶瓷中氧空位的原子尺度TEM表征及元素分布
该研究从实验和理论层面系统阐释了氧空位在压电陶瓷中调控位错行为、提升力学性能的作用机制，提出了新的缺陷工程思路。通过激活本征位错塑性机制，打破了“陶瓷无塑性”的传统印象，为未来设计具备“高韧性+高压电性能”的先进压电材料提供了新路径。此外，该策略具备良好的可推广性，后续在钙钛矿类其它功能陶瓷（如BaTiO₃、SrTiO₃等）中也有望实现类似调控，适用于柔性器件、微机电系统（MEMS）、超声成像器件等高可靠性场景。
