深耕壓電與熱電材料，助力應(yīng)用洞見未來

蔡巧玉

1880年，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者居里兄弟發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)。近150年后的今天，可用來實(shí)現(xiàn)電能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的壓電材料，在傳感器、驅(qū)動(dòng)器、能量回收等領(lǐng)域應(yīng)用廣闊。更早時(shí)期的1821年，澤貝克（Seebeck）發(fā)現(xiàn)了熱能與電能直接相互轉(zhuǎn)換的熱電效應(yīng)，如今熱電材料在溫差發(fā)電和半導(dǎo)體制冷領(lǐng)域獲得日益增長(zhǎng)的應(yīng)用。

壓電與熱電材料研究和應(yīng)用備受關(guān)注。李敬鋒，就是一位長(zhǎng)期活躍在這一材料領(lǐng)域的專家，他是清華大學(xué)材料學(xué)院教授，研發(fā)出綜合性能優(yōu)異的鈮酸鉀鈉（簡(jiǎn)稱KNN）基無(wú)鉛壓電陶瓷和高效中低溫?zé)犭姴牧系耐瑫r(shí)，積極推動(dòng)了其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

專攻無(wú)鉛壓電材料，打開國(guó)內(nèi)新局面

2002年，在日本潛心研究約17年之久，并已任日本東北大學(xué)副教授，還獲得日本文部省重點(diǎn)課題等多個(gè)研項(xiàng)目的李敬鋒，回到祖國(guó)成為清華大學(xué)材料學(xué)院教授，他期待在中國(guó)打開功能陶瓷研究的局面。

回國(guó)后的李敬鋒沒有耽擱片刻，在清華大學(xué)陶瓷重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室組建起了研究團(tuán)隊(duì)，將壓電與熱電陶瓷及其微加工技術(shù)定為研究方向。無(wú)鉛壓電陶瓷是李敬鋒團(tuán)隊(duì)最早切入的一個(gè)研究方向。傳統(tǒng)壓電陶瓷的基本組成是鋯鈦酸鉛，含鉛量在60%以上，在其制備、使用、回收和廢棄過程中都會(huì)給環(huán)境和人類帶來嚴(yán)重危害。2003年歐盟頒布在電氣電子產(chǎn)業(yè)推進(jìn)無(wú)鉛化的法律性指令，我國(guó)原信息產(chǎn)業(yè)部也于2006年出臺(tái)《電子信息產(chǎn)品生產(chǎn)污染防治管理辦法》。在這一背景下，研究開發(fā)高性能環(huán)境友好型無(wú)鉛壓電陶瓷具有非常重要的學(xué)意義和緊迫的市場(chǎng)需求。

李敬鋒開展的無(wú)鉛壓電陶瓷研究得到國(guó)家自然學(xué)基金委杰出青年基金及其創(chuàng)新群體學(xué)基金，以及“973計(jì)劃”項(xiàng)目“信息功能陶瓷及其元器件的若干基礎(chǔ)問題研究”的支持。經(jīng)過多年不懈的努力，他們找到提高KNN基無(wú)鉛壓電陶瓷性能的策略與機(jī)制，研發(fā)出性能與傳統(tǒng)含鉛壓電陶瓷媲美的無(wú)鉛壓電陶瓷，但是又面臨新的難題：如何克服無(wú)鉛壓電陶瓷的高性能與溫度穩(wěn)定性差的矛盾。在國(guó)家自然學(xué)基金委重點(diǎn)項(xiàng)目的支持下，李敬鋒及其團(tuán)隊(duì)通過揭示多層次結(jié)構(gòu)對(duì)無(wú)鉛鐵電壓電陶瓷電學(xué)性能的影響規(guī)律，提出了通過構(gòu)建彌散型相變提高溫度穩(wěn)定性的學(xué)術(shù)思想，實(shí)現(xiàn)了無(wú)鉛陶瓷壓電性能及其溫度穩(wěn)定性的協(xié)同調(diào)控，突破了在無(wú)鉛壓電材料中難以同時(shí)獲得優(yōu)異壓電性能與良好溫度穩(wěn)定性的難題，并研發(fā)出具有中高壓電性能（室溫壓電系數(shù)d33>350pC/N）和高溫度穩(wěn)定性（在100℃溫區(qū)內(nèi)d33變化率<10%）的實(shí)用型KNN基無(wú)鉛壓電陶瓷。

“無(wú)鉛高性能壓電陶瓷是我們研究出來最重要的成果。”李敬鋒自豪地說道。2019年，李敬鋒和團(tuán)隊(duì)的“無(wú)鉛鐵電壓電陶瓷的多層次結(jié)構(gòu)與性能調(diào)控”項(xiàng)目獲得中國(guó)建筑材料聯(lián)合會(huì)-中國(guó)硅酸鹽學(xué)會(huì)建筑材料學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)（基礎(chǔ)研究類）一等獎(jiǎng)。團(tuán)隊(duì)核心成員清華大學(xué)研究員王軻教授獲得國(guó)家和北京市高層次人才項(xiàng)目支持，并作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人主持2019年山東省發(fā)展和改革委員會(huì)新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換重大課題攻關(guān)“高性能環(huán)保無(wú)鉛壓電陶瓷電子器件材料研發(fā)及應(yīng)用”。2019年4月，在清華大學(xué)、浙江清華長(zhǎng)三角研究院和地方政府的支持下，團(tuán)隊(duì)成員成立公司專門從事無(wú)鉛壓電陶瓷生產(chǎn)和銷售，目前發(fā)展勢(shì)頭良好。

把握熱電材料未來，助力我國(guó)航天發(fā)展

熱電材料是李敬鋒的另一個(gè)研究重點(diǎn)，具有熱與電直接相互轉(zhuǎn)換功能的熱電材料在能源與光通信等領(lǐng)域有著不可替代的重要應(yīng)用，但是提升熱電性能面臨諸多挑戰(zhàn)，熱電材料研究也因此被中國(guó)協(xié)列為“重大學(xué)問題和重大工程技術(shù)難題”中先進(jìn)材料領(lǐng)域五大難題之一。李敬鋒帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)瞄準(zhǔn)幾種關(guān)鍵熱電材料，首先從材料制備與微結(jié)構(gòu)調(diào)控方向?qū)ふ彝黄瓶?，在?guó)際上率先提出了多種納米復(fù)合解耦內(nèi)稟熱電參數(shù)的新思路。

李敬鋒及其團(tuán)隊(duì)通過設(shè)計(jì)納米析出和納米混合復(fù)合結(jié)構(gòu)，研發(fā)出高性能碲化物熱電材料;發(fā)現(xiàn)納米碳化硅復(fù)合具有同時(shí)增強(qiáng)熱電性能和提升力學(xué)性能的協(xié)同效應(yīng)，并揭示了納米復(fù)合熱電材料的能量過濾效應(yīng)機(jī)制;提出了基于滲流效應(yīng)協(xié)同調(diào)控電熱輸運(yùn)特性的新方法。這些成果多次被《自然》（Nature）、《自然·化學(xué)》（Nature?Chemistry）、《先進(jìn)材料》（Advanced?Materials）等期刊引用，起到推動(dòng)高性能熱電材料發(fā)展的作用。研究成果曾獲得2011年度北京市學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)，并通過2019年國(guó)家自然學(xué)獎(jiǎng)初評(píng)會(huì)評(píng)。

李敬鋒十分注重?zé)犭姴牧显陉P(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，特別將高性能納米復(fù)合結(jié)構(gòu)碲化鉍基熱電材料應(yīng)用到熱電微器件（Micro?TEC）。熱電微器件是目前解決5G/6G集成光電轉(zhuǎn)換模塊精準(zhǔn)控溫唯一可行的技術(shù)方案，但其生產(chǎn)制造存在被“卡脖子”風(fēng)險(xiǎn)。李敬鋒團(tuán)隊(duì)通過與廣西自貿(mào)區(qū)見炬技有限公司合作，在熱電微器件的制造技術(shù)方面取得突破。2022年2月，公司實(shí)現(xiàn)了航天領(lǐng)域用高質(zhì)量Micro?TEC的量產(chǎn)。

教書育人辦期刊，展望光輝未來

2015年，李敬鋒和美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校塞繆爾·S·毛（Samuel?S.?Mao）教授、清華大學(xué)南策文院士組成主編團(tuán)隊(duì)，在中國(guó)硅酸鹽學(xué)會(huì)的領(lǐng)導(dǎo)和支持下，創(chuàng)辦了《無(wú)機(jī)材料學(xué)學(xué)報(bào)》。在李敬鋒和其他主編及編委的共同努力下，《無(wú)機(jī)材料學(xué)學(xué)報(bào)》快速發(fā)展，于2019年8月被《學(xué)引文索引》（Science?Citation?Index，SCI）收錄后，次年獲得第一個(gè)影響因子（IF2019=5.797），預(yù)期最新IF超過8.5。期刊2019年入選首批《中國(guó)技期刊卓越行動(dòng)計(jì)劃》梯隊(duì)期刊，已經(jīng)成為無(wú)機(jī)材料領(lǐng)域具有重要影響力的學(xué)術(shù)期刊之一。

教書育人，李敬鋒同樣嘔心瀝血。他擔(dān)任過兩屆班主任，曾獲清華大學(xué)“良師益友”稱號(hào)?；貒?guó)后培養(yǎng)了31位博士生（包括2名留學(xué)生）和十多名碩士生，送出了14位博士后。他對(duì)研究生招生的硬性要求是：對(duì)研究有熱情、勤奮刻苦。李敬鋒的建議是：“年輕人要只爭(zhēng)朝夕，在當(dāng)下的階段干好自己該干的?！彼囵B(yǎng)的畢業(yè)生多半從事研工作，其中有多人獲得國(guó)家層次人才項(xiàng)目的支持。

2020年7月，國(guó)際陶瓷材料領(lǐng)域最有影響力學(xué)會(huì)之一——美國(guó)陶瓷學(xué)會(huì)（The?American?Ceramic?Society）公布新增會(huì)士（Fellow），李敬鋒的名字赫然在列，以表彰他在陶瓷學(xué)與工程化應(yīng)用方面的突出貢獻(xiàn)。2022年2月，日本工程院第41次理事會(huì)通過，李敬鋒當(dāng)選為外籍院士。他還是國(guó)際熱電學(xué)會(huì)理事、電氣與電子工程師協(xié)會(huì)國(guó)際鐵電委員會(huì)委員與研討會(huì)主席。這些榮譽(yù)無(wú)不彰顯了李敬鋒在國(guó)內(nèi)外材料學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的學(xué)術(shù)影響力。

但李敬鋒仍然謙虛，“清華陶瓷重點(diǎn)室李龍土院士、張孝文教授等老一輩學(xué)者為我們打下了很好的基礎(chǔ)，現(xiàn)在設(shè)備條件非常好，我們應(yīng)該作出更好的成績(jī)”。接下來，李敬鋒將帶領(lǐng)他的團(tuán)隊(duì)繼續(xù)深耕壓電與熱電材料及其器件技術(shù)研究，夯實(shí)基礎(chǔ)研究，服務(wù)于國(guó)家需求，為技強(qiáng)國(guó)作出更多貢獻(xiàn)。

（責(zé)編：蘇寒山）