近日，上海交通大學材料科學與工程學院、金屬基復合材料國家重點實驗室郭益平教授團隊在缺陷偶極子誘導無鉛壓電陶瓷電致彎曲形變機理的研究中取得突破進展，相關研究成果“Ultrahigh Electro-bending Deformation in Lead-Free Piezoelectric Ceramics via Defect Concentration Gradient Design ” (DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202404682 )發表于國際材料學科領域頂級學術期刊Advanced Materials上。
隨著全球對環保意識的增強，無鉛壓電材料因其環境友好性而受到廣泛關注。傳統的含鉛壓電材料雖然性能優越，但其環境和健康風險不符合可持續發展戰略。為了替代傳統的Pb(Zr,Ti)O3基材料，科研人員一直在探索新型的無鉛壓電材料。其中，(K,Na)NbO3基陶瓷因其出色的綜合壓電特性而備受矚目。近期，通過缺陷工程策略，在無鉛壓電陶瓷中實現了超過晶格畸變極限的巨大電致應變（electro-strain）值。然而，彎曲變形的存在嚴重影響了材料固有電致應變值測量的準確性，引發了對非對稱電致應變響應起源的討論。盡管有研究人員通過厚度減薄在壓電陶瓷中實現較大的電致彎曲形變，但電致彎曲變形產生的機理尚不清楚。因此，探索新的設計方法以突破尺寸限制的大電致彎曲變形對促進壓電致動器在壓電微泵，壓電風扇，觸覺反饋和精密位移驅動等領域的應用具有重要意義。
圖1. 缺陷偶極子梯度分布引起電致彎曲形變的機理
該項工作利用具有不同厚徑比、不同揮發特性的無鉛壓電陶瓷，研究了缺陷分布對無鉛壓電陶瓷的電致形變特征的影響，明確了缺陷偶極子是非對稱高本征電致應變的起源，揭示了梯度分布的缺陷偶極子是電致彎曲變形產生的根本原因。利用具有電致彎曲特性單片陶瓷制備的懸臂梁結構可產生超大的尖端位移（±1.5mm），遠超鉛基壓電彎曲致動器的性能。該項研究工作還深入探討了無鉛壓電陶瓷電致彎曲變形的內在機理及其對表觀電致應變測量的影響，對電致形變測試的規范化、標準化具有借鑒意義。同時，通過主動設計缺陷濃度梯度，在原本無電致彎曲特性的BaTiO3基材料中實現了人工調控的電致彎曲變形，為壓電彎曲致動器的設計提供了一種普適性的方法。論文第一作者為上海交通大學材料科學與工程學院2022級直博生王杰同學，郭益平教授為論文通訊作者，論文共同作者還包括2020級直博生王彬全，2024級碩博生張鴻杰以及澳大利亞伍倫貢大學張樹君教授。
圖2. 壓電彎曲致動器的應用實例
原文始發于微信公眾號（上海交通大學材料學院）：上海交大材料學院在無鉛壓電陶瓷電致彎曲形變研究中取得重要進展