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深耕压电与热电材料,助力应用洞见未来

来源:  发布时间:2022-06-27

——记清华大学材料学院教授李敬锋

蔡巧玉

 

 

1880年,诺贝尔奖获得者居里兄弟发现了压电效应。近150年后的今天,可用来实现电能与机械能相互转换的压电材料,在传感器、驱动器、能量回收等领域应用广阔。更早时期的1821年,泽贝克(Seebeck)发现了热能与电能直接相互转换的热电效应,如今热电材料在温差发电和半导体制冷领域获得日益增长的应用。

压电与热电材料研究和应用备受关注。李敬锋,就是一位长期活跃在这一材料领域的专家,他是清华大学材料学院教授,研发出综合性能优异的铌酸钾钠(简称KNN)基无铅压电陶瓷和高效中低温热电材料的同时,积极推动了其产业化应用。

 

专攻无铅压电材料,打开国内新局面

 

2002年,在日本潜心研究约17年之久,并已任日本东北大学副教授,还获得日本文部省重点课题等多个科研项目的李敬锋,回到祖国成为清华大学材料学院教授,他期待在中国打开功能陶瓷研究的局面。

回国后的李敬锋没有耽搁片刻,在清华大学陶瓷重点实验室组建起了研究团队,将压电与热电陶瓷及其微加工技术定为研究方向。无铅压电陶瓷是李敬锋团队最早切入的一个研究方向。传统压电陶瓷的基本组成是锆钛酸铅,含铅量在60%以上,在其制备、使用、回收和废弃过程中都会给环境和人类带来严重危害。2003年欧盟颁布在电气电子产业推进无铅化的法律性指令,我国原信息产业部也于2006年出台《电子信息产品生产污染防治管理办法》。在这一背景下,研究开发高性能环境友好型无铅压电陶瓷具有非常重要的科学意义和紧迫的市场需求。

李敬锋开展的无铅压电陶瓷研究得到国家自然科学基金委杰出青年基金及其创新群体科学基金,以及“973计划”项目“信息功能陶瓷及其元器件的若干基础问题研究”的支持。经过多年不懈的努力,他们找到提高KNN基无铅压电陶瓷性能的策略与机制,研发出性能与传统含铅压电陶瓷媲美的无铅压电陶瓷,但是又面临新的难题:如何克服无铅压电陶瓷的高性能与温度稳定性差的矛盾。在国家自然科学基金委重点项目的支持下,李敬锋及其团队通过揭示多层次结构对无铅铁电压电陶瓷电学性能的影响规律,提出了通过构建弥散型相变提高温度稳定性的学术思想,实现了无铅陶瓷压电性能及其温度稳定性的协同调控,突破了在无铅压电材料中难以同时获得优异压电性能与良好温度稳定性的难题,并研发出具有中高压电性能(室温压电系数d33>350pC/N)和高温度稳定性(在100℃温区内d33变化率<10%)的实用型KNN基无铅压电陶瓷。

“无铅高性能压电陶瓷是我们研究出来最重要的成果。”李敬锋自豪地说道。2019年,李敬锋和团队的“无铅铁电压电陶瓷的多层次结构与性能调控”项目获得中国建筑材料联合会-中国硅酸盐学会建筑材料科学技术奖(基础研究类)一等奖。团队核心成员清华大学研究员王轲教授获得国家和北京市高层次人才项目支持,并作为项目负责人主持2019年山东省发展和改革委员会新旧动能转换重大课题攻关“高性能环保无铅压电陶瓷电子器件材料研发及应用”。20194月,在清华大学、浙江清华长三角研究院和地方政府的支持下,团队成员成立公司专门从事无铅压电陶瓷生产和销售,目前发展势头良好。

 

把握热电材料未来,

助力我国航天发展

 

热电材料是李敬锋的另一个研究重点,具有热与电直接相互转换功能的热电材料在能源与光通信等领域有着不可替代的重要应用,但是提升热电性能面临诸多挑战,热电材料研究也因此被中国科协列为“重大科学问题和重大工程技术难题”中先进材料领域五大难题之一。李敬锋带领团队瞄准几种关键热电材料,首先从材料制备与微结构调控方向寻找突破口,在国际上率先提出了多种纳米复合解耦内禀热电参数的新思路。

李敬锋及其团队通过设计纳米析出和纳米混合复合结构,研发出高性能碲化物热电材料;发现纳米碳化硅复合具有同时增强热电性能和提升力学性能的协同效应,并揭示了纳米复合热电材料的能量过滤效应机制;提出了基于渗流效应协同调控电热输运特性的新方法。这些成果多次被《自然》(Nature)、《自然·化学》(Nature Chemistry)、《先进材料》(Advanced Materials)等期刊引用,起到推动高性能热电材料发展的作用。研究成果曾获得2011年度北京市科学技术奖,并通过2019年国家自然科学奖初评会评。

李敬锋十分注重热电材料在关键技术领域的应用,特别将高性能纳米复合结构碲化铋基热电材料应用到热电微器件(Micro TEC)。热电微器件是目前解决5G/6G集成光电转换模块精准控温唯一可行的技术方案,但其生产制造存在被“卡脖子”风险。李敬锋团队通过与广西自贸区见炬科技有限公司合作,在热电微器件的制造技术方面取得突破。20222月,公司实现了航天领域用高质量Micro TEC的量产。

 

教书育人办期刊,

展望光辉未来

 

2015年,李敬锋和美国加州大学伯克利分校塞缪尔·S·毛(Samuel S. Mao)教授、清华大学南策文院士组成主编团队,在中国硅酸盐学会的领导和支持下,创办了《无机材料科学学报》。在李敬锋和其他主编及编委的共同努力下,《无机材料科学学报》快速发展,于20198月被《科学引文索引》(Science Citation IndexSCI)收录后,次年获得第一个影响因子(IF2019=5.797),预期最新IF超过8.5。期刊2019年入选首批《中国科技期刊卓越行动计划》梯队期刊,已经成为无机材料领域具有重要影响力的学术期刊之一。

教书育人,李敬锋同样呕心沥血。他担任过两届班主任,曾获清华大学“良师益友”称号。回国后培养了31位博士生(包括2名留学生)和十多名硕士生,送出了14位博士后。他对研究生招生的硬性要求是:对研究有热情、勤奋刻苦。李敬锋的建议是:“年轻人要只争朝夕,在当下的阶段干好自己该干的。”他培养的毕业生多半从事科研工作,其中有多人获得国家层次人才项目的支持。

20207月,国际陶瓷材料领域最有影响力学会之一——美国陶瓷学会(The American Ceramic Society)公布新增会士(Fellow),李敬锋的名字赫然在列,以表彰他在陶瓷科学与工程化应用方面的突出贡献。20222月,日本工程院第41次理事会通过,李敬锋当选为外籍院士。他还是国际热电学会理事、电气与电子工程师协会国际铁电委员会委员与研讨会主席。这些荣誉无不彰显了李敬锋在国内外材料科学与技术领域的学术影响力。

但李敬锋仍然谦虚,“清华陶瓷重点室李龙土院士、张孝文教授等老一辈学者为我们打下了很好的基础,现在设备条件非常好,我们应该作出更好的成绩”。接下来,李敬锋将带领他的团队继续深耕压电与热电材料及其器件技术研究,夯实基础研究,服务于国家需求,为科技强国作出更多贡献。

(责编:苏寒山)


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2022年7月

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