近日，上海交通大学材料科学与工程学院郭益平教授课题组在无铅压电陶瓷致动器领域取得重要进展，该研究成果以“Giant Electric Field-induced Strain with High Temperature-stability in Textured KNN-Based Piezoceramics for Actuator Applications”为题在线发表于国际著名学术期刊Advanced Functional Materials。
该研究工作通过在铌酸钾钠（KNN）基无铅压电陶瓷体系同时引入缺陷偶极子并调控晶粒取向生长，获得了可与压电单晶材料相媲美的逆压电系数（d33* = 2700 pm V-1）和优异的电致应变温度稳定性。该陶瓷材料在多层驱动器领域具备广阔的应用前景。
随着微电子机械系统、精密制造和精密测量等领域的迅速发展和环境问题的日益凸显，无铅压电陶瓷驱动器已成为国际上功能材料领域的重要科学前沿和技术竞争焦点。KNN基陶瓷由于其具有高居里温度、低应变滞后和低驱动电场强度而受到了广泛关注。最近，课题组通过利用缺陷偶极子与铁电畴的耦合作用在KKN基陶瓷中获得了超高应变 (Science 2022，378, 1125)。为了进一步提升陶瓷的应变响应特性和在高温下的应变温度稳定性，研究通过在压电陶瓷体系中保持缺陷偶极子与铁电畴强耦合作用的同时，利用模板晶粒生长技术调控陶瓷晶粒取向，获得了具有高度各向异性的织构陶瓷材料，该陶瓷可分别在20 kV cm-1和50 kV cm-1的电场下获得1500 pm V-1和2700 pm V-1的超高逆压电系数，其驱动性能可与一些压电单晶相媲美。此外，相较于非织构压电陶瓷，该织构陶瓷材料在100℃~200℃温度区间内具有更稳定的应变性能，其单向应变变化率由61%显著下降至35%，优异的应变温度稳定性进一步拓展了其应用前景。
压电陶瓷致动器通常采用叠层形式，为了展示该无铅陶瓷材料在多层驱动器上的优异适用性，研究工作利用5层厚度为0.4 mm的陶瓷薄片制备得到堆叠式压电陶瓷驱动器。该器件可在40 kV cm-1驱动电场强度下输出11.6微米的高场致位移。演示实验表明该致动器可成功驱动杠杆尖端上的激光发生器，灵活调节光屏上的激光光斑位置。此外，通过调控电场强度大小可使安装在光屏上的光敏元件输出不同强度的光电压响应峰值。这项设计制备了一种兼具高应变性能和温度稳定性的KNN基织构压电陶瓷，同时，该材料在多层驱动器上的良好适用性使其在精密定位和光调制等方面具有广阔的应用前景。
郭益平教授为该论文的通讯作者，2020 级直博生王彬全同学为论文第一作者。该项研究得到了国家自然科学基金重点项目（52032012），上海市科委重点基础研究项目（No.20JC1415000），和国家重点研发计划项目（No. SQ2022YFA1200129）的资助。
原文始发于微信公众号（上海交通大学材料学院）：上海交大郭益平教授课题组在无铅压电陶瓷致动器领域取得新进展
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