壓電材料在電場作用下發生形變(即電致應變)，使其在位移控制方面極具價值。特別是，具有大應變輸出、最小滯后和寬工作溫度范圍的壓電陶瓷對于高精度控制應用至關重要。遺憾的是，同時實現這三項優點，尤其是在無鉛壓電陶瓷中，是一項艱巨的挑戰。滯后現象源于耗時較長的非180°鐵電疇轉換，而應變輸出和工作溫度則依賴于材料的相結構。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、形態弛豫邊界、缺陷工程和鐵電玻璃。然而，這些方法通常只能優化兩項優點，許多方法僅實現了一項(例如，Science 2022, 378, 1125)。因此，同時實現所有三項優點仍然是無鉛壓電陶瓷研究中最主要的挑戰之一。
 

　　近日，西安交大材料學院材料強度組武海軍教授與四川大學研究團隊在鈮酸鉀鈉(KNN)基壓電陶瓷中提出了一種新型策略，通過開發改進的類似回入型鉀KNN無鉛弛豫材料(見圖)同時實現三項優點。通過精細的相工程、周到的成分設計和精確的晶粒形態控制，我們有效消除了多晶型相變(PPT)特性，成功創建了改進的類似回入型KNN基弛豫材料。綜合局部-介觀-宏觀多尺度結構分析揭示了顯著局部無序、納米級多相共存和超細晶粒的存在(見圖)，這抑制了非180°疇并促進了極化旋轉。因此，實現了大應變(約0.19%)、極低滯后(<7%)和良好的溫度穩定性(即應變在30-120℃內變化小于10.6%)的顯著組合，超越了其他無鉛弛豫材料(見圖)。策略為設計用于高精度作動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”(《改進的回入型(K,Na)NbO3基弛豫鐵電材料具備優異的電致應變性能》)為題發表在“Advanced Functional Materials”(《先進功能材料》)上。
 

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

　　此外，課題組與同濟大學通力合作，在鈮酸鉀鈉(KNN)基壓電陶瓷中創新性地通過紋理技術及組件設計，在無鉛單相KNN基三元固溶體紋理陶瓷中嵌入PNRs，實現了業界領先的溫度穩定性、高居里溫度(TC約365℃)及優異的壓電性能(d33約331 pC/N，d33約561 pm/V)。當溫度從25℃升至100℃(約10.0%至200℃)時，d33僅變化2.0%，而電應變(d33)在溫度從25℃升至175℃(約9.8%至200℃)時僅變化4.2%。多尺度結構分析表明，卓越壓電性能的維持主要歸因于紋理結構的誘導及PNRs的存在，共同促進極化旋轉。而優異的溫度穩定性則主要與單T相密切相關，其室溫介電常數隨溫度穩步略微增加，而非急劇變化。實際上，高度取向的紋理結構不僅有助于提高壓電性，還誘導出更穩定的大尺寸域結構，這對溫度穩定性亦有益。本研究解決了如何提升KNN基陶瓷的壓電性能及其溫度穩定性，并確保高居里溫度這一關鍵問題，促進了無鉛壓電陶瓷材料在高溫環境中的應用開發，并為壓電溫度穩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實現高壓電系數的寬溫平臺》)為題發表在“Advanced Functional Materials”(《先進功能材料》)上。
 

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