近日，上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院、金屬基復(fù)合材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室郭益平教授團(tuán)隊(duì)在缺陷偶極子誘導(dǎo)無鉛壓電陶瓷電致彎曲形變機(jī)理的研究中取得突破進(jìn)展，相關(guān)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(fā)表于國(guó)際材料學(xué)科領(lǐng)域頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊Advanced Materials上。
隨著全球?qū)Νh(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，無鉛壓電材料因其環(huán)境友好性而受到廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)的含鉛壓電材料雖然性能優(yōu)越，但其環(huán)境和健康風(fēng)險(xiǎn)不符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。為了替代傳統(tǒng)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(shí)現(xiàn)了超過晶格畸變極限的巨大電致應(yīng)變（electro-strain）值。然而，彎曲變形的存在嚴(yán)重影響了材料固有電致應(yīng)變值測(cè)量的準(zhǔn)確性，引發(fā)了對(duì)非對(duì)稱電致應(yīng)變響應(yīng)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(shí)現(xiàn)較大的電致彎曲形變，但電致彎曲變形產(chǎn)生的機(jī)理尚不清楚。因此，探索新的設(shè)計(jì)方法以突破尺寸限制的大電致彎曲變形對(duì)促進(jìn)壓電致動(dòng)器在壓電微泵，壓電風(fēng)扇，觸覺反饋和精密位移驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域的應(yīng)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(jī)理
該項(xiàng)工作利用具有不同厚徑比、不同揮發(fā)特性的無鉛壓電陶瓷，研究了缺陷分布對(duì)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(duì)稱高本征電致應(yīng)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(chǎn)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(jié)構(gòu)可產(chǎn)生超大的尖端位移（±1.5mm），遠(yuǎn)超鉛基壓電彎曲致動(dòng)器的性能。該項(xiàng)研究工作還深入探討了無鉛壓電陶瓷電致彎曲變形的內(nèi)在機(jī)理及其對(duì)表觀電致應(yīng)變測(cè)量的影響，對(duì)電致形變測(cè)試的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化具有借鑒意義。同時(shí)，通過主動(dòng)設(shè)計(jì)缺陷濃度梯度，在原本無電致彎曲特性的BaTiO3基材料中實(shí)現(xiàn)了人工調(diào)控的電致彎曲變形，為壓電彎曲致動(dòng)器的設(shè)計(jì)提供了一種普適性的方法。論文第一作者為上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2022級(jí)直博生王杰同學(xué)，郭益平教授為論文通訊作者，論文共同作者還包括2020級(jí)直博生王彬全，2024級(jí)碩博生張鴻杰以及澳大利亞伍倫貢大學(xué)張樹君教授。
圖2. 壓電彎曲致動(dòng)器的應(yīng)用實(shí)例
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