近日，乌镇实验室联合清华大学材料学院、华中科技大学、中国石油大学、北京邮电大学等单位在材料领域知名期刊《Nature Communications》在线发表了题为“Low-field-driven large strain in lead zirconate titanium-based piezoceramics incorporating relaxor lead magnesium niobate for actuation”（致动用锆钛酸铅-铌镁酸铅复合压电陶瓷的低场驱动大应变）的科研论文，乌镇实验室特聘研究员张茂华博士、专职副主任龚文博士为本论文的共同通讯作者。
随着现代科技的发展，微定位系统、机器人技术和超声马达等领域对精确致动的需求日益增长。压电陶瓷致动器得益于其响应快速、精确度高、耐久性强等优点被广泛应用。然而，压电陶瓷材料的大应变往往在高电场下获得，而材料在高场下的非线性和大滞回极大地限制了材料的应用表现。因此，开发能在低电场下产生大位移的压电陶瓷材料对于提高致动精度和服役稳定性具有重要意义。通过在锆钛酸铅（PZT）基陶瓷中引入弛豫型铌镁酸铅（PMN）的方法，研究团队成功制备了一种新型的压电陶瓷陶瓷PZT-PMN。其在1 kV/mm的低电场下实现了1380 pm/V的超高逆压电系数，同时保持了11.5%的低滞回，显著优于现有的商用压电陶瓷PIC151。研究团队进一步采用了电场原位同步辐射X射线衍射技术和亚微秒级时间分辨率的铁电畴翻转动力学表征技术，揭示了材料在低场下产生大应变的物理机制。研究结果表明，PZT-PMN中晶格畸变的减小和畴结构的细化有助于降低畴壁移动的能量势垒，从而在低电场下提高电致应变。该项研究不仅为压电致动器的应用需求提供了新的解决方案，还为探索大电致应变的物理机制提供了新的分析视角。该研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、浙江省"尖兵"研发攻关计划、浙江省自然科学基金等项目的支持。
低电场下大应变形成机制示意图：（a）PIC151商用陶瓷样品与PZT-PMN复合压电陶瓷的电场原位同步辐射结构表征结果，表明PZT-PMN有减小的晶格畸变；（b）两种样品的畴翻转动力学分析，证明PZT-PMN的铁弹畴畴壁移动更容易；（c）两种样品的电致应变，体现PZT-PMN大幅提高的低电场应变。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-53007-9
Nature Communications创刊于2010年，是一本综合性期刊，发文范围涵盖生物学、健康、物理学、化学、地球科学、社会科学、数学、应用科学和工程科学等各个领域的高质量研究，旨在报道国内外在该领域专家的科学研究工作中取得的经验成果、技术革新、学术动态等具有重要意义的重要进展。该刊已被SCIE数据库收录，在中科院JCR最新升级版分区表中，该刊分区信息为大类学科综合性期刊1区，目前最新影响因子为16.6。
原文始发于微信公众号（乌镇实验室）：科研进展 | 乌镇实验室研究成果再登Nature子刊！
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