【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，上海交通大學材料科學與工程學院、金屬基復合材料國家重點實驗室郭益平教授團隊在提升無鉛壓電陶瓷的低電場驅(qū)動電致應(yīng)變的研究中取得重要進展，相關(guān)研究成果“Boosting Low-E Electro-strain via High-Electronegativity B-Site Substitution in lead-free K0.5Na0.5NbO3-based ceramics”(DOI: https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120520)發(fā)表于國際材料學科領(lǐng)域著名學術(shù)期刊Acta Materialia上。
 

　　隨著全球?qū)Νh(huán)保意識的增強，無鉛壓電材料因其環(huán)境友好性而受到廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)的含鉛壓電材料雖然性能優(yōu)越，但其環(huán)境和健康風險不符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。為了替代傳統(tǒng)的Pb(Zr,Ti)O3基材料，科研人員一直在探索低場驅(qū)動的無鉛壓電材料，然而，傳統(tǒng)的無鉛壓電陶瓷材料制備的致動器往往難以獲得在低驅(qū)動電場下的高電致應(yīng)變輸出。低的驅(qū)動電場不僅可提高致動器的耐久性，而且還可以將其應(yīng)用范圍擴展到手機、相機等消費類產(chǎn)品。因此，開發(fā)在低驅(qū)動電場下具有高電致應(yīng)變值的無鉛壓電陶瓷材料對推動壓電驅(qū)動器無鉛化進程具有重要意義。
 

　　郭益平教授團隊通過在鈣鈦礦型無鉛壓電陶瓷中引入高電負性B位取代元素的方法，成功提升了鍶摻雜的鐵電鈮酸鉀鈉基陶瓷(K0.49Na0.49Sr0.02Nb0.99M0.01Ox，簡寫為KNSN-M，M為B位取代元素)在低電場下的電致應(yīng)變性能。其中，KNSN-Sb材料在1 kV/mm的低電場下實現(xiàn)了1000 pm/V的超高逆壓電系數(shù)，同時具有優(yōu)秀的溫度穩(wěn)定性、頻率穩(wěn)定性和疲勞抗性，領(lǐng)先于無鉛壓電陶瓷甚至優(yōu)于現(xiàn)有的商用鉛基壓電陶瓷(~850 pm/V)。研究團隊進一步采用了多尺度結(jié)構(gòu)表征技術(shù)，揭示了材料在低場下產(chǎn)生大應(yīng)變的物理機制。研究結(jié)果表明，Sn/Sb等高電負性B位取代元素提高了B-O鍵的共價性，破壞了長程鐵電有序結(jié)構(gòu)并引入局部鐵電相多相共存，產(chǎn)生了大量的納米疇結(jié)構(gòu)，有利于在外加電場鐵電疇和缺陷偶極子的一致排列，從而提高了材料在低電場下的電致應(yīng)變響應(yīng)。該研究不僅為壓電致動器的無鉛化和應(yīng)用需求提供了新的解決方案，還為鐵電疇的結(jié)構(gòu)調(diào)控提供了新的視角。
 

　　論文第一作者為上海交通大學材料科學與工程學院2022級直博生王杰同學，郭益平教授為論文通訊作者，論文共同作者還包括2019級直博生皇甫更(已畢業(yè))，2020級直博生王彬全，2024級碩博生張鴻杰。
 

　　該項工作得到了國家自然科學基金委(52032012)和國家重點研發(fā)計劃(Nos. 2022YFA1205300 and 2022YFA1205304)的資助。
 

　　KNSN-M 陶瓷的綜合性能 (a)單極電致應(yīng)變特性；(b)溫度穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定性；(c)疲勞抗性；(d)和其他壓電陶瓷/單晶材料性能對比