上海交大材料學(xué)院在無(wú)鉛壓電陶瓷的低場(chǎng)電致應(yīng)變研究中取得進(jìn)展

隨著全球?qū)Νh(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，無(wú)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(fēng)險(xiǎn)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(chǎng)驅(qū)動(dòng)的無(wú)鉛壓電材料，然而，傳統(tǒng)的無(wú)鉛壓電陶瓷材料制備的致動(dòng)器往往難以獲得在低驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)下的高電致應(yīng)變輸出。低的驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)不僅可提高致動(dòng)器的耐久性，而且還可以將其應(yīng)用范圍擴(kuò)展到手機(jī)、相機(jī)等消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品。因此，開(kāi)發(fā)在低驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)下具有高電致應(yīng)變值的無(wú)鉛壓電陶瓷材料對(duì)推動(dòng)壓電驅(qū)動(dòng)器無(wú)鉛化進(jìn)程具有重要意義。

郭益平教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)在鈣鈦礦型無(wú)鉛壓電陶瓷中引入高電負(fù)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(jiǎn)寫(xiě)為KNSN-M，M為B位取代元素）在低電場(chǎng)下的電致應(yīng)變性能。其中，KNSN-Sb材料在1 kV/mm的低電場(chǎng)下實(shí)現(xiàn)了1000 pm/V的超高逆壓電系數(shù)，同時(shí)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(wú)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(tuán)隊(duì)進(jìn)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(chǎng)下產(chǎn)生大應(yīng)變的物理機(jī)制。研究結(jié)果表明，Sn/Sb等高電負(fù)性B位取代元素提高了B-O鍵的共價(jià)性，破壞了長(zhǎng)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(chǎng)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(chǎng)下的電致應(yīng)變響應(yīng)。該研究不僅為壓電致動(dòng)器的無(wú)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(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2022級(jí)直博生王杰同學(xué)，郭益平教授為論文通訊作者，論文共同作者還包括2019級(jí)直博生皇甫更（已畢業(yè)），2020級(jí)直博生王彬全，2024級(jí)碩博生張鴻杰。

該項(xiàng)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委（52032012）和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（Nos. 2022YFA1205300 and 2022YFA1205304）的資助。