近日，上海交通大學材料科學與工程學院郭益平教授課題組在無鉛壓電陶瓷致動器領域取得重要進展，該研究成果以“Giant Electric Field-induced Strain with High Temperature-stability in Textured KNN-Based Piezoceramics for Actuator Applications”為題在線發表于國際著名學術期刊Advanced Functional Materials。
該研究工作通過在鈮酸鉀鈉（KNN）基無鉛壓電陶瓷體系同時引入缺陷偶極子并調控晶粒取向生長，獲得了可與壓電單晶材料相媲美的逆壓電系數（d33* = 2700 pm V-1）和優異的電致應變溫度穩定性。該陶瓷材料在多層驅動器領域具備廣闊的應用前景。
隨著微電子機械系統、精密制造和精密測量等領域的迅速發展和環境問題的日益凸顯，無鉛壓電陶瓷驅動器已成為國際上功能材料領域的重要科學前沿和技術競爭焦點。KNN基陶瓷由于其具有高居里溫度、低應變滯后和低驅動電場強度而受到了廣泛關注。最近，課題組通過利用缺陷偶極子與鐵電疇的耦合作用在KKN基陶瓷中獲得了超高應變 (Science 2022，378, 1125)。為了進一步提升陶瓷的應變響應特性和在高溫下的應變溫度穩定性，研究通過在壓電陶瓷體系中保持缺陷偶極子與鐵電疇強耦合作用的同時，利用模板晶粒生長技術調控陶瓷晶粒取向，獲得了具有高度各向異性的織構陶瓷材料，該陶瓷可分別在20 kV cm-1和50 kV cm-1的電場下獲得1500 pm V-1和2700 pm V-1的超高逆壓電系數，其驅動性能可與一些壓電單晶相媲美。此外，相較于非織構壓電陶瓷，該織構陶瓷材料在100℃~200℃溫度區間內具有更穩定的應變性能，其單向應變變化率由61%顯著下降至35%，優異的應變溫度穩定性進一步拓展了其應用前景。
壓電陶瓷致動器通常采用疊層形式，為了展示該無鉛陶瓷材料在多層驅動器上的優異適用性，研究工作利用5層厚度為0.4 mm的陶瓷薄片制備得到堆疊式壓電陶瓷驅動器。該器件可在40 kV cm-1驅動電場強度下輸出11.6微米的高場致位移。演示實驗表明該致動器可成功驅動杠桿尖端上的激光發生器，靈活調節光屏上的激光光斑位置。此外，通過調控電場強度大小可使安裝在光屏上的光敏元件輸出不同強度的光電壓響應峰值。這項設計制備了一種兼具高應變性能和溫度穩定性的KNN基織構壓電陶瓷，同時，該材料在多層驅動器上的良好適用性使其在精密定位和光調制等方面具有廣闊的應用前景。
郭益平教授為該論文的通訊作者，2020 級直博生王彬全同學為論文第一作者。該項研究得到了國家自然科學基金重點項目（52032012），上海市科委重點基礎研究項目（No.20JC1415000），和國家重點研發計劃項目（No. SQ2022YFA1200129）的資助。
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