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教授团队在缺陷偶极子诱导无铅压电陶瓷电致弯曲形变机理的研究中取得突破进展,相关研究成果“Ultrahigh Electro-bending Deformation in Lead-Free Piezoelectric Ceramics via Defect Concentration Gradient Design ” (DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202404682 )发表于国际材料学科领域顶级学术期刊Advanced Materials上。

上海交大材料学院在无铅压电陶瓷电致弯曲形变研究中取得重要进展

随着全球对环保意识的增强,无铅压电材料因其环境友好性而受到广泛关注。传统的含铅压电材料虽然性能优越,但其环境和健康风险不符合可持续发展战略。为了替代传统的Pb(Zr,Ti)O3基材料,科研人员一直在探索新型的无铅压电材料。其中,(K,Na)NbO3基陶瓷因其出色的综合压电特性而备受瞩目。近期,通过缺陷工程策略,在无铅压电陶瓷中实现了超过晶格畸变极限的巨大电致应变(electro-strain)值。然而,弯曲变形的存在严重影响了材料固有电致应变值测量的准确性,引发了对非对称电致应变响应起源的讨论。尽管有研究人员通过厚度减薄在压电陶瓷中实现较大的电致弯曲形变,但电致弯曲变形产生的机理尚不清楚。因此,探索新的设计方法以突破尺寸限制的大电致弯曲变形对促进压电致动器在压电微泵,压电风扇,触觉反馈和精密位移驱动等领域的应用具有重要意义。

上海交大材料学院在无铅压电陶瓷电致弯曲形变研究中取得重要进展

图1. 缺陷偶极子梯度分布引起电致弯曲形变的机理

该项工作利用具有不同厚径比、不同挥发特性的无铅压电陶瓷,研究了缺陷分布对无铅压电陶瓷的电致形变特征的影响,明确了缺陷偶极子是非对称高本征电致应变的起源,揭示了梯度分布的缺陷偶极子是电致弯曲变形产生的根本原因。利用具有电致弯曲特性单片陶瓷制备的悬臂梁结构可产生超大的尖端位移(±1.5mm),远超铅基压电弯曲致动器的性能。该项研究工作还深入探讨了无铅压电陶瓷电致弯曲变形的内在机理及其对表观电致应变测量的影响,对电致形变测试的规范化、标准化具有借鉴意义。同时,通过主动设计缺陷浓度梯度,在原本无电致弯曲特性的BaTiO3基材料中实现了人工调控的电致弯曲变形,为压电弯曲致动器的设计提供了一种普适性的方法。论文第一作者为上海交通大学材料科学与工程学院2022级直博生王杰同学,郭益平教授为论文通讯作者,论文共同作者还包括2020级直博生王彬全,2024级硕博生张鸿杰以及澳大利亚伍伦贡大学张树君教授。

上海交大材料学院在无铅压电陶瓷电致弯曲形变研究中取得重要进展

图2. 压电弯曲致动器的应用实例

该项工作(DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202404682)得到了国家重点研发计划(Nos. 2022YFA1205300 and 2022YFA1205304)、国家自然科学基金委(52032012)的资助。

原文始发于微信公众号(上海交通大学材料学院):上海交大材料学院在无铅压电陶瓷电致弯曲形变研究中取得重要进展

作者 gan, lanjie

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