科学网—西安电子科技大学董广志团队：受主掺杂调控BNKBT无铅压电陶瓷及10 MHz超声换能器成像验证-清华大学出版社学术期刊的博文

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2026-10-14 10:20

| 个人分类: JAC | 系统分类: 论文交流

原文出自 Journal of Advanced Ceramics ( 先进陶瓷 ) 期刊

Cite this article:

Dong G, Zhang B, Zhang Y, et al. Fe-doped BNKBT lead-free piezoceramics with enhanced electromechanical performance for 10 MHz ultrasonic imaging. Journal of Advanced Ceramics , 2026, https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221372

文章 DOI ： 10.26599/JAC.2026.9221372

ResearchGate ： Fe-doped BNKBT lead-free piezoceramics with enhanced electromechanical performance for 10 MHz ultrasonic imaging

基金支持： 本研究得到陕西省重点研发计划（ 2025GH-YBXM-047 ）、陕西省科技创新引领计划（ 2025QCY-KXJ-002 ）、国家自然科学基金（ 52402154 、 62474129 ）、中央高校基本科研业务费专项资金（ QTZX26014 、 ZYTS23087 ）等资助。

一、 导读

高性能超声换能器长期依赖含铅压电材料，无铅体系仍面临机电耦合不足和器件灵敏度受限的问题。西安电子科技大学董广志团队通过 B 位 Fe 3+ 受主掺杂调控 BNKBT 陶瓷，在相结构演变与缺陷钉扎之间获得有利平衡。优化组分 d 33 达 180 pC/N 、 k t 达 0.42 ， 10 MHz 平面换能器 | IL | 降至 16 dB ；聚焦后实现 182/264 μm 轴向 / 横向分辨率，并完成猪眼 B-mode 及纪念币 C-mode 成像。

二、 研究背景

超声成像具有实时、无创和安全等优势，广泛用于眼科、心脏、肝脏等组织检查。作为超声换能器中实现电能 — 机械能 — 声能双向转换的核心功能单元，压电材料的介电、压电及机电耦合性能直接决定器件的灵敏度、带宽和成像质量。目前，高性能换能器仍主要依赖 PZT 及相关铅基压电材料，但铅元素带来的环境与健康风险推动了无铅压电材料和绿色超声器件的发展。 Bi 0.5 Na 0.5 TiO 3 （ BNT ）基陶瓷具有较低介电常数和声阻抗，是无铅超声换能器的重要候选体系，但纯 BNT 存在矫顽场高、压电响应较低等问题。团队前期通过 BKT 和 BT 多组元固溶，在 BNT 基体系中构建接近准同型相界（ MPB ）的 0.84BNT-0.133BKT-0.027BT （ BNKBT ）组分，并制备了 10 MHz 无铅超声换能器。进一步提升其机电耦合能力，并证明材料端的性能提升能够真正转化为器件端的灵敏度和成像优势，是本研究关注的核心问题。为此，研究团队选择 Fe 3+ 作为 B 位受主掺杂离子，构建 (Bi 0.487 Na 0.42 K 0.067 Ba 0.027 )(Ti 1- x Fe x )O 3 [BNKBT-Fe( x )] 体系，系统考察 Fe 含量对相结构、局域畴响应、铁电/应变行为以及压电和机电耦合性能的影响，并进一步将最优陶瓷制备成 10 MHz 超声换能器进行器件及成像验证。

三、文章亮点

（ 1 ）提出 B 位 Fe 3+ 受主掺杂调控 BNKBT 无铅压电陶瓷的策略。适量 Fe 掺杂在 R3c / P4bm 相结构调整与氧空位相关缺陷钉扎之间形成有利平衡，使 x = 0.01 组分获得 d 33 = 180 pC/N 、 k t = 0.42 和 k t / k p = 3.22 的较优综合机电性能。

（ 2 ）通过“同结构、同匹配条件”的平面换能器对比，直接建立材料性能与器件性能的联系。 Fe 改性后换能器 | IL | 由 23 dB 降低至 16 dB ，同时保持约 54% 的− 6 dB 带宽，表明材料机电性能提升能够有效转化为更高的超声换能灵敏度。

（ 3 ）在材料优势已经明确的基础上，再引入声学透镜进行器件级聚焦优化。聚焦换能器中心频率为 10.72 MHz ， Vpp 达到 2168 mV ，轴向和横向分辨率分别为 182 和 264 μm ，并实现猪眼前节 B-mode 和纪念币表面 C-mode 成像，形成“材料调控—器件构筑—实际成像”的完整验证链条。

四、研究结果及结论

1 、结构与局域极化行为。 XRD 及 Rietveld 精修结果表明（图 1 ）， Fe 3+ 掺杂后 BNKBT 陶瓷均保持纯钙钛矿结构，未出现明显杂相，且可由 R3c / P4bm 两相共存模型较好描述。随着 Fe 含量增加，体系整体呈现由 R3c 占优向 P4bm 占优演变的趋势。 PFM 结果进一步表明（图 2 ），适量 Fe 掺杂能够明显改善局域畴构型及极化翻转响应，其中 BNKBT-Fe(0.01) 具有更加清晰的畴结构和稳定的极化翻转区域，局域相位翻转角达到约 171° ，最大振幅达到 387 pm 。

图 1 BNKBT-Fe( x ) 陶瓷 XRD 图谱。

图 2 x= 0 、 x= 0.01 和 x= 0.02 陶瓷组分的 PFM 图谱。

2 、铁电、压电及机电耦合性能。 随着 Fe 掺杂量增加， BNKBT 陶瓷的铁电与机电响应呈现明显变化。当 x =0.01 时，样品表现出较为饱和的 P-E 回线，剩余极化强度 P r 和最大极化强度 P max 分别达到 33 和 42 μC/cm 2 ；同时， d 33 提升至最大值 180 pC/N 。厚度机电耦合系数 k t 提高至 0.42 ，而径向耦合系数 k p 变化相对较小，使 k t / k p 在 x = 0.01 时达到最大值 3.22 ，表明该组分具有更加突出的厚度振动耦合特征（图 3 ）。

图 3 BNKBT-Fe( x ) 陶瓷的铁电、压电及机电耦合性能。

3 、 10 MHz 超声换能器性能。 基于综合性能最优的 BNKBT-Fe(0.01) 陶瓷，进一步设计并制备了 10 MHz 超声换能器（图 4 ）。平面换能器实测中心频率约为 10.7 MHz ， -6 dB 带宽达到 54% ，与 PiezoCAD 模拟结果基本一致。更重要的是，在采用相同电匹配、声匹配及器件结构的条件下，与未掺杂 BNKBT-Fe(0) 换能器相比， BNKBT-Fe(0.01) 换能器的插入损耗 | IL | 由 23 dB 降低至 16 dB ，直接证明了 Fe 掺杂带来的机电性能提升可以有效转化为器件换能灵敏度和能量转换效率的改善。进一步引入环氧树脂声学透镜后，聚焦换能器的中心频率达到 10.72 MHz ，峰峰值回波电压 V pp 达到 2168 mV ，显示出较强的脉冲回波响应（图 5 ）。

图 4 BNKBT-Fe(0.01) 超声换能器以及性能表征成像系统。

图 5 BNKBT-Fe(0.01) 陶瓷基 10 MHz 超声换能器的设计及脉冲回波性能。

4 、空间分辨率与超声成像验证。 采用钨丝靶进一步评价换能器的空间分辨能力（图 6 ）。平面换能器的轴向和横向分辨率分别为 146 和 2834 μm ；引入声学聚焦后，轴向分辨率为 182 μm ，横向分辨率显著提升至 264 μm ，表明声学透镜能够有效压缩横向声束宽度。在实际成像测试中， BNKBT-Fe(0.01) 换能器能够清晰分辨猪眼前节中的角膜、前房、虹膜及睫状体和晶状体等典型结构，同时在纪念币 C-mode 扫描中能够较好呈现“ YES ”“ NO ”字符及周围浮雕边界（图 7 ）。上述结果表明，该无铅压电陶瓷能够实现从材料机电性能优化到高频超声换能和实际成像应用的有效贯通，展现出在环境友好型高频医学超声及精细无损检测领域的应用潜力。

图 6 BNKBT-Fe(0.01) 超声换能器的空间分辨率测试结果。

图 7 BNKBT-Fe(0.01) 超声换能器的猪眼、纪念币成像结果。

五、作者及研究团队简介

董广志 ，西安电子科技大学先进材料与纳米科技学院副教授、博士生导师，兼任陕西省电子学会秘书长。博士毕业于西北工业大学，博士后于澳大利亚伍伦贡大学公派访学。主要从事压电/铁电/闪烁/荧光等功能材料及器件研究。

个人主页： https://faculty.xidian.edu.cn/DongGuangzhi.htm

作者邮箱： gzdong@xidian.edu.cn

作者 ORCID ： 0000-0002-2627-8567

作者及研究团队在 Journal of Advanced Ceramics 上发表的相关代表作：

1 ） Dong G, Su H, Bai R, et al. Photoluminescence and optical temperature sensing properties of Gd 3 Al 3 Ga 2 O 12 :Pr 3+ garnet transparent ceramics. Journal of Advanced Ceramics , 2025, 14(9): 9221141. https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221141

《先进陶瓷（英文）》（ Journal of Advanced Ceramics ） 期刊简介

《先进陶瓷（英文）》于 2012 年创刊， 清华大学 主办， 清华大学出版社有限公司 出版， 清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室 提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为中国科学院院士、清华大学林元华教授、苏州国家实验室周延春教授、广东工业大学林华泰教授和哈尔滨工业大学张幸红教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被 SCIE 、 Ei Compendex 、 Scopus 、 DOAJ 、 CSCD 、 WJCI 等数据库收录。现为月刊， 2025 年发文量为 202 篇； 2026 年 6 月发布的 SCI 影响因子为 14 ，连续 6 年位列 Web of Science 核心合集“材料科学，陶瓷”学科 34 种同类期刊第 1 名； 2026 年 2 月发布的 WJCI 影响因子为 15.350 ，位列“陶瓷学” 26 种同类期刊第 1 名； 2024 年 11 月入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目； 2026 年入选北京市支持高水平国际科技期刊建设（强刊提升）项目。 2023 年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社有限公司自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台 SciOpen 独家发布，标志着该刊结束多年来“借船出海”的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。

期刊主页： https://www.sciopen.com/journal/2226-4108

投稿地址： https://mc03.manuscriptcentral.com/jacer

期刊 ResearchGate 主页： https://www.researchgate.net/journal/Journal-of-Advanced-Ceramics-2227-8508

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