壓電材料在電場作用下發(fā)生形變(即電致應(yīng)變)，使其在位移控制方面極具價(jià)值。特別是，具有大應(yīng)變輸出、最小滯后和寬工作溫度范圍的壓電陶瓷對(duì)于高精度控制應(yīng)用至關(guān)重要。遺憾的是，同時(shí)實(shí)現(xiàn)這三項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，尤其是在無鉛壓電陶瓷中，是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)。滯后現(xiàn)象源于耗時(shí)較長的非180°鐵電疇轉(zhuǎn)換，而應(yīng)變輸出和工作溫度則依賴于材料的相結(jié)構(gòu)。為了解決這些問題，研究者們提出了多種策略，包括弛豫材料、形態(tài)弛豫邊界、缺陷工程和鐵電玻璃。然而，這些方法通常只能優(yōu)化兩項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，許多方法僅實(shí)現(xiàn)了一項(xiàng)(例如，Science 2022, 378, 1125)。因此，同時(shí)實(shí)現(xiàn)所有三項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)仍然是無鉛壓電陶瓷研究中最主要的挑戰(zhàn)之一。
 

　　近日，西安交大材料學(xué)院材料強(qiáng)度組武海軍教授與四川大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在鈮酸鉀鈉(KNN)基壓電陶瓷中提出了一種新型策略，通過開發(fā)改進(jìn)的類似回入型鉀KNN無鉛弛豫材料(見圖)同時(shí)實(shí)現(xiàn)三項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。通過精細(xì)的相工程、周到的成分設(shè)計(jì)和精確的晶粒形態(tài)控制，我們有效消除了多晶型相變(PPT)特性，成功創(chuàng)建了改進(jìn)的類似回入型KNN基弛豫材料。綜合局部-介觀-宏觀多尺度結(jié)構(gòu)分析揭示了顯著局部無序、納米級(jí)多相共存和超細(xì)晶粒的存在(見圖)，這抑制了非180°疇并促進(jìn)了極化旋轉(zhuǎn)。因此，實(shí)現(xiàn)了大應(yīng)變(約0.19%)、極低滯后(<7%)和良好的溫度穩(wěn)定性(即應(yīng)變?cè)?0-120℃內(nèi)變化小于10.6%)的顯著組合，超越了其他無鉛弛豫材料(見圖)。策略為設(shè)計(jì)用于高精度作動(dòng)器的高性能壓電陶瓷引入了新的范式。
 

　　以上研究成果以“Modified Re-Entrant-Like (K,Na)NbO3-Based Relaxors with Superior Electrostrain Properties”(《改進(jìn)的回入型(K,Na)NbO3基弛豫鐵電材料具備優(yōu)異的電致應(yīng)變性能》)為題發(fā)表在“Advanced Functional Materials”(《先進(jìn)功能材料》)上。
 

　　西安交通大學(xué)材料學(xué)院在讀博士生楊宇軒為共同作者，材料學(xué)院武海軍教授為共同通訊作者。本項(xiàng)研究工作得到了西安交通大學(xué)分析測試中心在電鏡微結(jié)構(gòu)表征方面的支持。
 

　　此外，課題組與同濟(jì)大學(xué)通力合作，在鈮酸鉀鈉(KNN)基壓電陶瓷中創(chuàng)新性地通過紋理技術(shù)及組件設(shè)計(jì)，在無鉛單相KNN基三元固溶體紋理陶瓷中嵌入PNRs，實(shí)現(xiàn)了業(yè)界領(lǐng)先的溫度穩(wěn)定性、高居里溫度(TC約365℃)及優(yōu)異的壓電性能(d33約331 pC/N，d33約561 pm/V)。當(dāng)溫度從25℃升至100℃(約10.0%至200℃)時(shí)，d33僅變化2.0%，而電應(yīng)變(d33)在溫度從25℃升至175℃(約9.8%至200℃)時(shí)僅變化4.2%。多尺度結(jié)構(gòu)分析表明，卓越壓電性能的維持主要?dú)w因于紋理結(jié)構(gòu)的誘導(dǎo)及PNRs的存在，共同促進(jìn)極化旋轉(zhuǎn)。而優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性則主要與單T相密切相關(guān)，其室溫介電常數(shù)隨溫度穩(wěn)步略微增加，而非急劇變化。實(shí)際上，高度取向的紋理結(jié)構(gòu)不僅有助于提高壓電性，還誘導(dǎo)出更穩(wěn)定的大尺寸域結(jié)構(gòu)，這對(duì)溫度穩(wěn)定性亦有益。本研究解決了如何提升KNN基陶瓷的壓電性能及其溫度穩(wěn)定性，并確保高居里溫度這一關(guān)鍵問題，促進(jìn)了無鉛壓電陶瓷材料在高溫環(huán)境中的應(yīng)用開發(fā)，并為壓電溫度穩(wěn)定性特性的突破提供了新的研究方向。
 

　　以上研究成果以“Broad Temperature Plateau for High Piezoelectric Coefficient by Embedding PNRs in Singe-Phase KNN-Based Ceramics”(《通過在單相KNN基陶瓷中嵌入PNRs實(shí)現(xiàn)高壓電系數(shù)的寬溫平臺(tái)》)為題發(fā)表在“Advanced Functional Materials”(《先進(jìn)功能材料》)上。
 

　　西安交通大學(xué)材料學(xué)院在讀博士生楊宇軒為共同第一作者，材料學(xué)院武海軍教授為共同通訊作者。本項(xiàng)研究工作得到了西安交通大學(xué)分析測試中心在電鏡微結(jié)構(gòu)表征方面的支持。