壓電驅(qū)動(dòng)器憑借其快速響應(yīng)和高精度位移特性，在全球驅(qū)動(dòng)器市場(chǎng)中占據(jù)重要地位。其性能的關(guān)鍵因素之一是壓電材料的電致應(yīng)變優(yōu)值。長(zhǎng)期以來(lái)，壓電陶瓷材料的電致應(yīng)變普遍低于1%。2022年，研究人員發(fā)現(xiàn)了一種經(jīng)過(guò)特殊缺陷調(diào)控的鈮酸鉀鈉（KNN）基陶瓷，其室溫電致應(yīng)變高達(dá)1.04%。此后，無(wú)鉛壓電陶瓷的高電致應(yīng)變成為學(xué)界關(guān)注的焦點(diǎn)。近年來(lái)，具有非對(duì)稱(chēng)電致應(yīng)變響應(yīng)的無(wú)鉛壓電陶瓷不斷刷新電致應(yīng)變記錄，其背后的物理機(jī)制成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)。
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近日，清華大學(xué)材料學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)以熱壓燒結(jié)并經(jīng)退火處理的KNN陶瓷為研究對(duì)象，展示了電致應(yīng)變響應(yīng)與陶瓷材料厚度的特殊依賴關(guān)系，并實(shí)現(xiàn)了1.9%的超高電致應(yīng)變（在室溫、3kV/mm、1Hz條件下，在100微米的薄樣品中壓電常數(shù)超過(guò)6300pm/V），相比傳統(tǒng)KNN陶瓷提升了近50倍。團(tuán)隊(duì)借助同位素示蹤、脈沖射頻輝光放電原子發(fā)射光譜、分子動(dòng)力學(xué)以及相場(chǎng)模擬等方法，揭示了氧空位的非均勻分布與短程躍遷在高電致應(yīng)變響應(yīng)中的關(guān)鍵作用。原位同步輻射X射線衍射與相場(chǎng)模擬結(jié)果表明，電場(chǎng)下非均勻分布的氧空位可引起樣品表面晶胞的顯著體積變化，從而導(dǎo)致較高的電致應(yīng)變。
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基于此，研究團(tuán)隊(duì)提出了“化學(xué)壓電效應(yīng)”（Chemopiezoelectric effect）這一新概念，用以描述壓電材料中線性壓電效應(yīng)、鐵電疇翻轉(zhuǎn)、電致伸縮以及氧空位短程躍遷共同作用下的復(fù)雜電致應(yīng)變現(xiàn)象，該效應(yīng)與氧空位濃度及其遷移能力密切相關(guān)。該研究驗(yàn)證了KNN壓電陶瓷中氧空位的非均勻分布，闡釋了氧空位短程遷移機(jī)制，為壓電陶瓷及其他氧化物材料的缺陷-性能關(guān)系提供了新的分析視角。此外，該KNN壓電陶瓷還展現(xiàn)出良好的頻率穩(wěn)定性、溫度穩(wěn)定性和抗疲勞性能，具有通過(guò)疊層技術(shù)實(shí)現(xiàn)在壓電多層驅(qū)動(dòng)器中應(yīng)用的潛力。
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KNN壓電陶瓷高電致應(yīng)變的影響因素及機(jī)理分析
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相關(guān)成果以“無(wú)鉛壓電陶瓷中化學(xué)壓電效應(yīng)引起的高電致應(yīng)變”（High electrostrain in a lead-free piezoceramic from a chemopiezoelectric effect）為題2月26日發(fā)表于《自然·材料》（Nature Materials）。
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清華大學(xué)材料學(xué)院博士后徐澤和北京科技大學(xué)施小明博士為共同第一作者，清華大學(xué)材料學(xué)院劉亦軒博士、北京理工大學(xué)黃厚兵教授、澳大利亞伍倫貢大學(xué)張樹(shù)君教授、清華大學(xué)材料學(xué)院王軻研究員為共同通訊作者。其他重要合作者包括澳大利亞新南威爾士大學(xué)王丹陽(yáng)教授、英國(guó)諾丁漢大學(xué)李明教授、英國(guó)帝國(guó)理工大學(xué)Stephen J. Skinner教授、哈爾濱工業(yè)大學(xué)田浩教授、清華大學(xué)材料學(xué)院博士后湯浩正、中科院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心陳峰教授等。研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。
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論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41563-024-02092-8
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供稿 | 材料學(xué)院
排版?| 趙壯
審核 | 王煒鵬 趙壯
原文始發(fā)于微信公眾號(hào)（清華大學(xué)材料學(xué)院）：材料學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)在無(wú)鉛壓電陶瓷領(lǐng)域取得進(jìn)展
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