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【研究背景】

压电致动器可以将电信号直接转换为机械应变，目前广泛应用于消费电子产品、运输、精密光学仪器、微机电系统和机器人等领域。目前压电陶瓷中最高的电场感应应变为1.3%，由含铅材料（Bi，La）FeO₃-PbTiO₃在80 kV/cm的高电场下驱动。考虑到环境问题，目前已做出大量努力寻找无铅替代品。预计到2026年，世界压电设备市场预计将增长至354亿美元。这其中无铅器件2019年至2024年的复合年增长率预计将高达20.8%。在无铅压电系统中，(Na_1/2Bi_1/2)TiO₃（NBT）基陶瓷在50 kV/cm时具有约0.7%的最高应变，但同时伴随着大的滞后，这可能是由于高电场驱动下遍历弛豫相和铁电相之间的转变。因此，急需开发具有简单组成、低成本、易于加工和高电应变性能的无铅压电致动器。

【成果简介】

近日，上海交通大学郭益平研究员、澳大利亚卧龙岗大学张树君教授、中科院上海硅酸盐研究所傅正钱助理研究员等人通过常规固态反应方法合成锶（Sr）掺杂（K，Na）NbO₃无铅压电陶瓷，无需任何后处理，就可获得巨大应变（1.05%）和大信号压电应变系数（2100 pm/V）。研究表明，导致超高电应变的潜在机制是缺陷偶极子和域切换之间的相互作用。进一步研究显示，无铅压电陶瓷在20 kV/cm时的耐疲劳性、热稳定性和应变值（0.25%）与商用Pb（Zr, Ti）O₃基陶瓷相当或更好，显示出巨大的实际应用潜力。这种材料可以为成分简单、高性能的无铅压电致动器提供设计范例。该论文以题为“Giant electric field–induced strain in lead-free piezoceramics”发表在知名期刊Science上。

【图文导读】

图一、KNSN陶瓷的成分相关晶体结构和电性能 © 2022 AAAS

图二、KNSN3中缺陷偶极子对极化和应变行为的影响 © 2022 AAAS

图三、KNSN3的微观结构 © 2022 AAAS

图四、KNSN3卓越的电致应变性能 © 2022 AAAS

【结论展望】

压电材料将电信号转换为机械应变，使其成为重要的驱动器和传感器。研究人员在锶（Sr）掺杂的（K, Na）NbO₃无铅压电陶瓷（KNSN）中实现了巨大的应变（1.05%）和大信号压电应变系数（2100 pm/V），该陶瓷是通过传统的固态反应方法合成的，没有任何后期处理。研究表明，导致超高电应变的基本机制是缺陷偶极子和域切换之间的相互作用。进一步研究显示，KNSN3陶瓷显然具有最高的应变值（0.25%）。随后研究表明KNSN3具有良好的循环稳定性和热稳定性，与PZT-4相当，优于PZT-5H陶瓷。因此，考虑到其巨大的应变能力、低驱动电场、良好的抗疲劳性和热稳定性，KNSN3陶瓷在取代铅基压电陶瓷方面具有巨大的潜力。

文献链接：Giant electric field–induced strain in lead-free piezoceramics (Science 2022, 378, 1125-1130)