近日，烏鎮(zhèn)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合清華大學(xué)材料學(xué)院、華中科技大學(xué)、中國石油大學(xué)、北京郵電大學(xué)等單位在材料領(lǐng)域知名期刊《Nature Communications》在線發(fā)表了題為“Low-field-driven large strain in lead zirconate titanium-based piezoceramics incorporating relaxor lead magnesium niobate for actuation”（致動(dòng)用鋯鈦酸鉛-鈮鎂酸鉛復(fù)合壓電陶瓷的低場驅(qū)動(dòng)大應(yīng)變）的科研論文，烏鎮(zhèn)實(shí)驗(yàn)室特聘研究員張茂華博士、專職副主任龔文博士為本論文的共同通訊作者。
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隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，微定位系統(tǒng)、機(jī)器人技術(shù)和超聲馬達(dá)等領(lǐng)域?qū)_致動(dòng)的需求日益增長。壓電陶瓷致動(dòng)器得益于其響應(yīng)快速、精確度高、耐久性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。然而，壓電陶瓷材料的大應(yīng)變往往在高電場下獲得，而材料在高場下的非線性和大滯回極大地限制了材料的應(yīng)用表現(xiàn)。因此，開發(fā)能在低電場下產(chǎn)生大位移的壓電陶瓷材料對于提高致動(dòng)精度和服役穩(wěn)定性具有重要意義。通過在鋯鈦酸鉛（PZT）基陶瓷中引入弛豫型鈮鎂酸鉛（PMN）的方法，研究團(tuán)隊(duì)成功制備了一種新型的壓電陶瓷陶瓷PZT-PMN。其在1 kV/mm的低電場下實(shí)現(xiàn)了1380 pm/V的超高逆壓電系數(shù)，同時(shí)保持了11.5%的低滯回，顯著優(yōu)于現(xiàn)有的商用壓電陶瓷PIC151。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步采用了電場原位同步輻射X射線衍射技術(shù)和亞微秒級時(shí)間分辨率的鐵電疇翻轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)表征技術(shù)，揭示了材料在低場下產(chǎn)生大應(yīng)變的物理機(jī)制。研究結(jié)果表明，PZT-PMN中晶格畸變的減小和疇結(jié)構(gòu)的細(xì)化有助于降低疇壁移動(dòng)的能量勢壘，從而在低電場下提高電致應(yīng)變。該項(xiàng)研究不僅為壓電致動(dòng)器的應(yīng)用需求提供了新的解決方案，還為探索大電致應(yīng)變的物理機(jī)制提供了新的分析視角。該研究得到國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、浙江省"尖兵"研發(fā)攻關(guān)計(jì)劃、浙江省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。
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低電場下大應(yīng)變形成機(jī)制示意圖：（a）PIC151商用陶瓷樣品與PZT-PMN復(fù)合壓電陶瓷的電場原位同步輻射結(jié)構(gòu)表征結(jié)果，表明PZT-PMN有減小的晶格畸變；（b）兩種樣品的疇翻轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)分析，證明PZT-PMN的鐵彈疇疇壁移動(dòng)更容易；（c）兩種樣品的電致應(yīng)變，體現(xiàn)PZT-PMN大幅提高的低電場應(yīng)變。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-53007-9
Nature Communications創(chuàng)刊于2010年，是一本綜合性期刊，發(fā)文范圍涵蓋生物學(xué)、健康、物理學(xué)、化學(xué)、地球科學(xué)、社會(huì)科學(xué)、數(shù)學(xué)、應(yīng)用科學(xué)和工程科學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域的高質(zhì)量研究，旨在報(bào)道國內(nèi)外在該領(lǐng)域?qū)＜业目茖W(xué)研究工作中取得的經(jīng)驗(yàn)成果、技術(shù)革新、學(xué)術(shù)動(dòng)態(tài)等具有重要意義的重要進(jìn)展。該刊已被SCIE數(shù)據(jù)庫收錄，在中科院JCR最新升級版分區(qū)表中，該刊分區(qū)信息為大類學(xué)科綜合性期刊1區(qū)，目前最新影響因子為16.6。
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