【儀表網 研發快訊】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動電致應變的研究中取得重要進展，相關研究成果“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)發表于國際材料學科領域著名學術期刊Acta Materialia上。
 

　　隨著全球對環保意識的增強，無鉛壓電材料因其環境友好性而受到廣泛關注。傳統的含鉛壓電材料雖然性能優越，但其環境和健康風險不符合可持續發展戰略。為了替代傳統的Pb(Zr,Ti)O3基材料，科研人員一直在探索低場驅動的無鉛壓電材料，然而，傳統的無鉛壓電陶瓷材料制備的致動器往往難以獲得在低驅動電場下的高電致應變輸出。低的驅動電場不僅可提高致動器的耐久性，而且還可以將其應用范圍擴展到手機、相機等消費類產品。因此，開發在低驅動電場下具有高電致應變值的無鉛壓電陶瓷材料對推動壓電驅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變性能。其中，KNSN-Sb材料在1 kV/mm的低電場下實現了1000 pm/V的超高逆壓電系數，同時具有優秀的溫度穩定性、頻率穩定性和疲勞抗性，領先于無鉛壓電陶瓷甚至優于現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構表征技術，揭示了材料在低場下產生大應變的物理機制。研究結果表明，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構并引入局部鐵電相多相共存，產生了大量的納米疇結構，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變響應。該研究不僅為壓電致動器的無鉛化和應用需求提供了新的解決方案，還為鐵電疇的結構調控提供了新的視角。
 

　　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)，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)和國家重點研發計劃(Nos. 2022YFA1205300 and 2022YFA1205304)的資助。
 

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