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【研究背景】

壓電致動器可以將電信號直接轉換為機械應變，目前廣泛應用于消費電子產品、運輸、精密光學儀器、微機電系統和機器人等領域。目前壓電陶瓷中最高的電場感應應變為1.3%，由含鉛材料（Bi，La）FeO₃-PbTiO₃在80 kV/cm的高電場下驅動。考慮到環境問題，目前已做出大量努力尋找無鉛替代品。預計到2026年，世界壓電設備市場預計將增長至354億美元。這其中無鉛器件2019年至2024年的復合年增長率預計將高達20.8%。在無鉛壓電系統中，(Na_1/2Bi_1/2)TiO₃（NBT）基陶瓷在50 kV/cm時具有約0.7%的最高應變，但同時伴隨著大的滯后，這可能是由于高電場驅動下遍歷弛豫相和鐵電相之間的轉變。因此，急需開發具有簡單組成、低成本、易于加工和高電應變性能的無鉛壓電致動器。

【成果簡介】

近日，上海交通大學郭益平研究員、澳大利亞臥龍崗大學張樹君教授、中科院上海硅酸鹽研究所傅正錢助理研究員等人通過常規固態反應方法合成鍶（Sr）摻雜（K，Na）NbO₃無鉛壓電陶瓷，無需任何后處理，就可獲得巨大應變（1.05%）和大信號壓電應變系數（2100 pm/V）。研究表明，導致超高電應變的潛在機制是缺陷偶極子和域切換之間的相互作用。進一步研究顯示，無鉛壓電陶瓷在20 kV/cm時的耐疲勞性、熱穩定性和應變值（0.25%）與商用Pb（Zr, Ti）O₃基陶瓷相當或更好，顯示出巨大的實際應用潛力。這種材料可以為成分簡單、高性能的無鉛壓電致動器提供設計范例。該論文以題為“Giant electric field–induced strain in lead-free piezoceramics”發表在知名期刊Science上。

【圖文導讀】

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圖一、KNSN陶瓷的成分相關晶體結構和電性能 ? 2022 AAAS

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圖二、KNSN3中缺陷偶極子對極化和應變行為的影響 ? 2022 AAAS

圖三、KNSN3的微觀結構 ? 2022 AAAS

圖四、KNSN3卓越的電致應變性能 ? 2022 AAAS

【結論展望】

壓電材料將電信號轉換為機械應變，使其成為重要的驅動器和傳感器。研究人員在鍶（Sr）摻雜的（K, Na）NbO₃無鉛壓電陶瓷（KNSN）中實現了巨大的應變（1.05%）和大信號壓電應變系數（2100 pm/V），該陶瓷是通過傳統的固態反應方法合成的，沒有任何后期處理。研究表明，導致超高電應變的基本機制是缺陷偶極子和域切換之間的相互作用。進一步研究顯示，KNSN3陶瓷顯然具有最高的應變值（0.25%）。隨后研究表明KNSN3具有良好的循環穩定性和熱穩定性，與PZT-4相當，優于PZT-5H陶瓷。因此，考慮到其巨大的應變能力、低驅動電場、良好的抗疲勞性和熱穩定性，KNSN3陶瓷在取代鉛基壓電陶瓷方面具有巨大的潛力。

文獻鏈接：Giant electric field–induced strain in lead-free piezoceramics (Science 2022, 378, 1125-1130)