上海交大材料学院在无铅压电陶瓷的低场电致应变研究中取得进展

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提升无铅压电陶瓷的低电场驱动电致应变的研究中取得重要进展，相关研究成果“Boosting Low-E Electro-strain via High-Electronegativity B-Site Substitution in lead-free K0.5Na0.5NbO3-based ceramics”(DOI: https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120520)发表于国际材料学科领域著名学术期刊Acta Materialia上。

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低场驱动的无铅压电材料，然而，传统的无铅压电陶瓷材料制备的致动器往往难以获得在低驱动电场下的高电致应变输出。低的驱动电场不仅可提高致动器的耐久性，而且还可以将其应用范围扩展到手机、相机等消费类产品。因此，开发在低驱动电场下具有高电致应变值的无铅压电陶瓷材料对推动压电驱动器无铅化进程具有重要意义。

郭益平教授团队通过在钙钛矿型无铅压电陶瓷中引入高电负性B位取代元素的方法，成功提升了锶掺杂的铁电铌酸钾钠基陶瓷（K0.49Na0.49Sr0.02Nb0.99M0.01Ox，简写为KNSN-M，M为B位取代元素）在低电场下的电致应变性能。其中，KNSN-Sb材料在1 kV/mm的低电场下实现了1000 pm/V的超高逆压电系数，同时具有优秀的温度稳定性、频率稳定性和疲劳抗性，领先于无铅压电陶瓷甚至优于现有的商用铅基压电陶瓷（~850 pm/V）。研究团队进一步采用了多尺度结构表征技术，揭示了材料在低场下产生大应变的物理机制。研究结果表明，Sn/Sb等高电负性B位取代元素提高了B-O键的共价性，破坏了长程铁电有序结构并引入局部铁电相多相共存，产生了大量的纳米畴结构，有利于在外加电场铁电畴和缺陷偶极子的一致排列，从而提高了材料在低电场下的电致应变响应。该研究不仅为压电致动器的无铅化和应用需求提供了新的解决方案，还为铁电畴的结构调控提供了新的视角。

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2019级直博生皇甫更（已毕业），2020级直博生王彬全，2024级硕博生张鸿杰。

该项工作得到了国家自然科学基金委（52032012）和国家重点研发计划（Nos. 2022YFA1205300 and 2022YFA1205304）的资助。

KNSN-M 陶瓷的综合性能 （a）单极电致应变特性；（b）温度稳定性和频率稳定性；（c）疲劳抗性；（d）和其他压电陶瓷/单晶材料性能对比