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

近日，上海交通大学材料科学与工程学院金属基复合材料国家重点实验室郭益平课题组在共烧型无铅压电陶瓷堆叠致动器领域取得重要进展，研究工作对深入理解缺陷设计理论及推动压电致动器在高精度位移控制领域的应用具有重要意义，相关成果分别发表在Journal of the European Ceramic Society 及Ceramics International上。

首先，针对压电陶瓷材料铅含量高、无铅陶瓷致动器难以满足商用性能标准的技术难题，成功设计并制备出了Ag/Pd内电极共烧型锶掺杂铌酸钾钠（KNN）基无铅压电陶瓷堆叠致动器，该器件在单极20 kV/cm电场下获得了900 pm/V的超高逆压电系数，远超商用PZT-5H堆叠致动器的驱动性能（590 pm/V），其电致位移输出性能与驱动电压幅值间具有优异的线性度（R^2 =0.9957），有助于简化驱动模块的闭环电路设计。通过电、热和力学性能的全面评估，该无铅陶瓷堆叠致动器表现出响应时间短（1 ms）、温度稳定性及疲劳循环稳定性优良（室温至100 ℃区间内输出位移变化率7.6%，且历经106次电循环后性能衰减4.7%）、抗机械力学损坏能力强（抗弯强度 137 MPa；断裂韧性 1.76 MPa·m ^1/2）以及交变电场工况下表面积热量更低等优势特点，展示出替代铅基致动器的强大潜能。研究成果以“Co-fired lead-free piezoceramic multilayer actuators with ultrahigh electro-strain and remarkable comprehensive properties”为题发表在高水平期刊Journal of the European Ceramic Society上。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2024.116687

作为当前市场占有率最高的压电陶瓷致动元件，共烧型堆叠陶瓷致动器（MLA）凭借低驱动电压、高位移精度、快速响应速率、高集成度等优势，在航空航天、生物检测、消费电子产品、精密加工和激光通讯等高新科技领域发挥着关键作用。为了在更低的驱动电压下实现更大的位移输出，通常要求压电陶瓷在20 kV/cm电场下具有高的电致应变性能，此外，组装成致动器后，单层陶瓷的厚度需控制在75 μm以内。为突破无铅陶瓷材料的应变性能瓶颈及多层器件研发的技术壁垒，研究团队基于铁电畴/缺陷偶极子耦合作用机制，利用流延成型技术制备获得单层陶瓷厚度为50 μm、有效层数为20层的KNSN基MLA。在相同的驱动电场下，该器件实现了媲美甚至超越商用铅基致动器的电、热、力学综合性能。研究工作进一步将无铅致动器集成于快反镜原型装置中，获得了0.78 μrad/V的镜面偏转灵敏度及R^2=0.9941的线性度（如图1所示），展现出应用于信息通讯技术与精密定位领域的巨大应用潜力。

从理论研究的角度而言，自2022年大应变KNN基陶瓷的研究成果发表以来（Science 2022，378, 1125），具有非对称应变响应的无铅压电材料的内在物理机制已成为当前研究的热点内容。研究人员将这种独特现象归因于钙钛矿A位空位与氧空位形成的VK/Na-VO缺陷偶极子结构，另有学者认为其源于电场作用下氧空位长程迁移引发的弯曲效应（Nature 2025，637, 333–338）。为了进一步确认本研究工作中无铅压电陶瓷堆叠致动器的形变状态，利用面扫激光测振仪及LVDT电感传感器测试了致动器在驱动电场下表面各点的位移变化，如图2所示。可以发现，各测试点的电致位移输出幅值差异小，表明致动器的形变均匀地发生在整个致动器表面，证实该无铅陶瓷的应变贡献来源于缺陷偶极子，并非是由器件几何尺寸导致的弯曲效应。

针对现有共烧型陶瓷堆叠致动器内电极Ag/Pd金属成本过高问题，提出了基于贱金属内电极共烧的堆叠陶瓷致动器设计方案。研究团队通过向KNSN基陶瓷中掺杂Zr离子与Sn离子并主动设计K/Na空位来调控缺陷结构，在单极20 kV/cm电场下获得了0.24%的电致应变。成功研发出镍电极共烧型堆叠陶瓷致动器（KNSNS基MLA），其单层逆压电系数达到890 pm/V，为研发低成本、高性能、环保型陶瓷致动器提供了设计思路和理论指导。研究成果以“Defect dipole-induced ultrahigh eletrostrain in KNN-based piezoceramics for co-fired multilayer actuators with nickel electrodes”为题发表在高水平期刊Ceramics International上。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2025.02.381

在实际生产应用中，压电陶瓷致动器不仅要求具有优异的综合驱动性能，还需兼顾较低的生产经济成本。面对超过 1100 ℃的高温共烧挑战，当前陶瓷致动器的内电极材料仍主要依赖昂贵的钯、铂等贵金属，这显著削弱了其市场竞争力。近几十年来，为探索更具经济效益的替代方案，研究重点逐渐转向还原烧结气氛下采用镍或铜等贱金属作为内电极的堆叠陶瓷共烧技术。基于缺陷偶极子设计的大应变 KNN 基陶瓷含有丰富的 K/Na 空位与氧空位缺陷结构，在还原烧结气氛下，氧空位浓度会显著增加，而 K/Na 空位缺陷的形成则会受到抑制缺陷浓度的失衡不仅影响了VK/Na-VO缺陷偶极子的形成，而且额外的游离氧空位会导致陶瓷材料的漏导显著增大。因此，如何提升氧空位的活化能，又能确保有足够多的VK/Na与VO形成缺陷偶极子是需要重点关注的科学问题。

本项研究工作通过掺杂Zr离子与Sn离子提高了陶瓷的抗还原性质，利用空位型和低价态离子取代型缺陷的协同调控，有效抑制了氧空位的短程跃迁跳变行为，提升了缺陷的活化能和介电绝缘性。另一方面，通过主动设计 A 位空位的方式诱导形成VK/Na-VO缺陷偶极子，获得了超越PZT-5H商用陶瓷的驱动性能（0.17%）,为开发兼具高性能和低成本的无铅陶瓷致动器提供了切实可行的思路。

为了验证本研究工作提出的缺陷调控策略在还原气氛中与贱金属电极的共烧兼容性，研究团队通过流延制备工艺成功获得了镍金属内电极共烧型KNSNS基MLA（单层厚度为50 μm，有效层数为20层）。该器件能够在 20 kV/cm 的驱动电场下产生 1.78 μm 的高电致位移输出，对应单层陶瓷的逆压电系数高达 890 pm/V，并具备优良的温度稳定性（室温至 100 ℃下变化率 6.7%）、疲劳循环稳定性（106次电循环后衰减5.2%）及抗力学损坏能力（抗弯强度 133 MPa；断裂韧性 1.6 MPa·m1/2）。与氧空位长程迁移诱导高应变的物理机制相比（相关研究见https://doi.org/10.1038/s41563-024-02092-8，104次循环性能衰减10%），本研究构建缺陷偶极子结构的应变调控策略能够获得更优异的抗疲劳循环稳定性，展现出广阔的实际应用前景。