我国学者提出无铅压电陶瓷电致应变新机制
2025/06/03
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图 (a) KNN陶瓷应变响应与厚度的独特依赖关系；(b) 氧空位在压电陶瓷中的非均匀分布；(c) 压电材料中氧空位在电场下的跃迁行为；(d) 本工作与其他钙钛矿型压电材料的电致应变性能对比
在国家自然科学基金项目（批准号：52388201、52032005）等资助下，清华大学王轲研究员与合作者在无铅压电陶瓷电致应变响应机制方面取得进展。相关研究成果以“化学压电效应诱导无铅压电陶瓷高电致应变（High electrostrain in a lead-free piezoceramic from a chemopiezoelectric effect）”为题，于2025年2月26日在线发表于《自然·材料》（Nature Materials），论文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-024-02092-8。现任国际铁电学会主席、洛桑联邦理工学院名誉教授Dragan Damjanovic在同期评述中给予高度评价，认为该研究是“铁电材料中理解和利用缺陷诱导电致应变的关键一步”。
压电驱动器凭借快速响应和高精度位移特性在全球市场中占据重要地位，其核心性能指标——电致应变尤为关键。然而，无铅压电陶瓷的电致应变普遍低于1%，成为制约其在驱动领域应用突破的主要瓶颈。
王轲研究员团队通过调控非对称分布氧空位缺陷的跃迁行为，在铌酸钾钠（KNN）无铅压电陶瓷中成功诱导出高达1.9%的电致应变（压电常数超过6300 pm/V），相较于传统方法制备的KNN陶瓷应变提升了近50倍。研究团队综合利用同位素示踪、脉冲射频辉光放电原子发射光谱、分子动力学计算以及相场模拟等多种先进表征与分析手段，揭示了氧空位的非均匀分布与短程跃迁在高电致应变响应中的关键作用：氧空位在电场作用下的非均匀分布可引起材料表面晶胞体积的显著变化，从而诱导电致应变的巨大提升。研究团队创新性地提出“化学压电效应（Chemopiezoelectric effect）”这一概念，用以描述压电材料中本征压电效应、铁电畴翻转、电致伸缩以及氧空位短程跃迁共同作用下的复杂电致应变响应行为。
本研究不仅揭示了压电陶瓷中氧空位的非均匀分布特征及其短程跃迁机制，还深入阐明了缺陷状态与材料性能的构效关系。该材料展现出优异的频率稳定性、温度稳定性和抗疲劳特性，这表明其在多层驱动器领域具有广阔的应用前景，有望为高性能压电驱动技术的发展提供重要的理论支撑与材料基础。
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