清華大學(xué)材料學(xué)院團隊合作在無鉛壓電陶瓷研究領(lǐng)域取得新進展

2025-03-05 08:32:41來源：清華大學(xué) 閱讀量：15305 評論

　　壓電驅(qū)動器憑借其快速響應(yīng)和高精度位移特性，在全球驅(qū)動器市場中占據(jù)重要地位。其性能的關(guān)鍵因素之一是壓電材料的電致應(yīng)變優(yōu)值。長期以來，壓電陶瓷材料的電致應(yīng)變普遍低于1%。2022年，研究人員發(fā)現(xiàn)了一種經(jīng)過特殊缺陷調(diào)控的鈮酸鉀鈉(KNN)基陶瓷，其室溫電致應(yīng)變高達1.04%。此后，無鉛壓電陶瓷的高電致應(yīng)變成為學(xué)界關(guān)注的焦點。近年來，具有非對稱電致應(yīng)變響應(yīng)的無鉛壓電陶瓷不斷刷新電致應(yīng)變紀錄，其背后的物理機制成為當前研究熱點。

　　近日，清華大學(xué)材料學(xué)院研究團隊以熱壓燒結(jié)并經(jīng)退火處理的KNN陶瓷為研究對象，展示了電致應(yīng)變響應(yīng)與陶瓷材料厚度的特殊依賴關(guān)系，并實現(xiàn)了1.9%的超高電致應(yīng)變(在室溫、3kV/mm、1Hz條件下，在100微米的薄樣品中壓電常數(shù)超過6300pm/V)，相比傳統(tǒng)KNN陶瓷提升了近50倍。團隊借助同位素示蹤、脈沖射頻輝光放電原子發(fā)射光譜、分子動力學(xué)以及相場模擬等方法，揭示了氧空位的非均勻分布與短程躍遷在高電致應(yīng)變響應(yīng)中的關(guān)鍵作用。原位同步輻射X射線衍射與相場模擬結(jié)果表明，電場下非均勻分布的氧空位可引起樣品表面晶胞的顯著體積變化，從而導(dǎo)致較高的電致應(yīng)變。

　　基于此，研究團隊提出了“化學(xué)壓電效應(yīng)”(Chemopiezoelectric effect)這一新概念，用以描述壓電材料中線性壓電效應(yīng)、鐵電疇翻轉(zhuǎn)、電致伸縮以及氧空位短程躍遷共同作用下的復(fù)雜電致應(yīng)變現(xiàn)象，該效應(yīng)與氧空位濃度及其遷移能力密切相關(guān)。該研究驗證了KNN壓電陶瓷中氧空位的非均勻分布，闡釋了氧空位短程遷移機制，為壓電陶瓷及其他氧化物材料的缺陷-性能關(guān)系提供了新的分析視角。此外，該KNN壓電陶瓷還展現(xiàn)出良好的頻率穩(wěn)定性、溫度穩(wěn)定性和抗疲勞性能，具有通過疊層技術(shù)實現(xiàn)在壓電多層驅(qū)動器中應(yīng)用的潛力。

KNN壓電陶瓷高電致應(yīng)變的影響因素及機理分析

　　相關(guān)研究成果以“無鉛壓電陶瓷中化學(xué)壓電效應(yīng)引起的高電致應(yīng)變”(High electrostrain in a lead-free piezoceramic from a chemopiezoelectric effect)為題，于2月26日發(fā)表于《自然·材料》(Nature Materials)。

　　清華大學(xué)材料學(xué)院博士后徐澤和北京科技大學(xué)施小明博士為論文共同第一作者，清華大學(xué)材料學(xué)院劉亦軒博士、北京理工大學(xué)黃厚兵教授、澳大利亞伍倫貢大學(xué)張樹君教授、清華大學(xué)材料學(xué)院王軻研究員為論文共同通訊作者。其他重要合作者包括澳大利亞新南威爾士大學(xué)王丹陽教授、英國諾丁漢大學(xué)李明教授、英國帝國理工大學(xué)斯蒂芬·斯金納(Stephen J. Skinner)教授、哈爾濱工業(yè)大學(xué)田浩教授、清華大學(xué)材料學(xué)院博士后湯浩正、中國科學(xué)院強磁場科學(xué)中心陳峰教授等。研究得到國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃等項目的資助。

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