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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(zhǎng)。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(chǎng)下獲得，而材料在高場(chǎng)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(kāi)發(fā)能在低電場(chǎng)下產(chǎn)生大位移的壓電陶瓷材料對(duì)于提高致動(dòng)精度和服役穩(wěn)定性具有重要意義。通過(guò)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(chǎng)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(chǎng)原位同步輻射X射線衍射技術(shù)和亞微秒級(jí)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(chǎng)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(shì)壘，從而在低電場(chǎng)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(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)應(yīng)變。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41467-024-53007-9