近日，烏鎮(zhèn)實驗室聯(lián)合清華大學材料學院、華中科技大學、中國石油大學、北京郵電大學等單位在材料領域知名期刊《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”（致動用鋯鈦酸鉛-鈮鎂酸鉛復合壓電陶瓷的低場驅(qū)動大應變）的科研論文，烏鎮(zhèn)實驗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)、機器人技術和超聲馬達等領域?qū)_致動的需求日益增長。壓電陶瓷致動器得益于其響應快速、精確度高、耐久性強等優(yōu)點被廣泛應用。然而，壓電陶瓷材料的大應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，研究團隊成功制備了一種新型的壓電陶瓷陶瓷PZT-PMN。其在1 kV/mm的低電場下實現(xiàn)了1380 pm/V的超高逆壓電系數(shù)，同時保持了11.5%的低滯回，顯著優(yōu)于現(xiàn)有的商用壓電陶瓷PIC151。研究團隊進一步采用了電場原位同步輻射X射線衍射技術和亞微秒級時間分辨率的鐵電疇翻轉(zhuǎn)動力學表征技術，揭示了材料在低場下產(chǎn)生大應變的物理機制。研究結(jié)果表明，PZT-PMN中晶格畸變的減小和疇結(jié)構的細化有助于降低疇壁移動的能量勢壘，從而在低電場下提高電致應變。該項研究不僅為壓電致動器的應用需求提供了新的解決方案，還為探索大電致應變的物理機制提供了新的分析視角。該研究得到國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、浙江省"尖兵"研發(fā)攻關計劃、浙江省自然科學基金等項目的支持。
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低電場下大應變形成機制示意圖：（a）PIC151商用陶瓷樣品與PZT-PMN復合壓電陶瓷的電場原位同步輻射結(jié)構表征結(jié)果，表明PZT-PMN有減小的晶格畸變；（b）兩種樣品的疇翻轉(zhuǎn)動力學分析，證明PZT-PMN的鐵彈疇疇壁移動更容易；（c）兩種樣品的電致應變，體現(xiàn)PZT-PMN大幅提高的低電場應變。
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、健康、物理學、化學、地球科學、社會科學、數(shù)學、應用科學和工程科學等各個領域的高質(zhì)量研究，旨在報道國內(nèi)外在該領域?qū)＜业目茖W研究工作中取得的經(jīng)驗成果、技術革新、學術動態(tài)等具有重要意義的重要進展。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)信息為大類學科綜合性期刊1區(qū)，目前最新影響因子為16.6。
原文始發(fā)于微信公眾號（烏鎮(zhèn)實驗室）：科研進展 | 烏鎮(zhèn)實驗室研究成果再登Nature子刊！
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