压电材料在电场作用下发生形变（即电致应变），使其在位移控制方面极具价值。特别是，具有大应变输出、最小滞后和宽工作温度范围的压电陶瓷对于高精度控制应用至关重要。遗憾的是，同时实现这三项优点，尤其是在无铅压电陶瓷中，是一项艰巨的挑战。滞后现象源于耗时较长的非180°铁电畴转换，而应变输出和工作温度则依赖于材料的相结构。为了解决这些问题，研究者们提出了多种策略，包括弛豫材料、形态弛豫边界、缺陷工程和铁电玻璃。然而，这些方法通常只能优化两项优点，许多方法仅实现了一项（例如，Science 2022, 378, 1125）。因此，同时实现所有三项优点仍然是无铅压电陶瓷研究中最主要的挑战之一。
近日，西安交大材料学院材料强度组武海军教授与四川大学研究团队在铌酸钾钠(KNN)基压电陶瓷中提出了一种新型策略，通过开发改进的类似回入型钾KNN无铅弛豫材料（见图）同时实现三项优点。通过精细的相工程、周到的成分设计和精确的晶粒形态控制，我们有效消除了多晶型相变（PPT）特性，成功创建了改进的类似回入型KNN基弛豫材料。综合局部-介观-宏观多尺度结构分析揭示了显著局部无序、纳米级多相共存和超细晶粒的存在（见图），这抑制了非180°畴并促进了极化旋转。因此，实现了大应变（约0.19%）、极低滞后（<7%）和良好的温度稳定性（即应变在30-120℃内变化小于10.6%）的显著组合，超越了其他无铅弛豫材料（见图）。策略为设计用于高精度作动器的高性能压电陶瓷引入了新的范式。
以上研究成果以“Modified Re-Entrant-Like (K,Na)NbO3-Based Relaxors with Superior Electrostrain Properties”（《改进的回入型(K,Na)NbO3基弛豫铁电材料具备优异的电致应变性能》）为题发表在“Advanced Functional Materials”（《先进功能材料》）上。
西安交通大学材料学院在读博士生杨宇轩为共同作者，材料学院武海军教授为共同通讯作者。本项研究工作得到了西安交通大学分析测试中心在电镜微结构表征方面的支持。
文章链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202406154
此外，课题组与同济大学通力合作，在铌酸钾钠(KNN)基压电陶瓷中创新性地通过纹理技术及组件设计，在无铅单相KNN基三元固溶体纹理陶瓷中嵌入PNRs，实现了业界领先的温度稳定性、高居里温度（TC约365℃）及优异的压电性能（d33约331 pC/N，d33约561 pm/V）。当温度从25℃升至100℃（约10.0%至200℃）时，d33仅变化2.0%，而电应变（d33）在温度从25℃升至175℃（约9.8%至200℃）时仅变化4.2%。多尺度结构分析表明，卓越压电性能的维持主要归因于纹理结构的诱导及PNRs的存在，共同促进极化旋转。而优异的温度稳定性则主要与单T相密切相关，其室温介电常数随温度稳步略微增加，而非急剧变化。实际上，高度取向的纹理结构不仅有助于提高压电性，还诱导出更稳定的大尺寸域结构，这对温度稳定性亦有益。本研究解决了如何提升KNN基陶瓷的压电性能及其温度稳定性，并确保高居里温度这一关键问题，促进了无铅压电陶瓷材料在高温环境中的应用开发，并为压电温度稳定性特性的突破提供了新的研究方向。
以上研究成果以“Broad Temperature Plateau for High Piezoelectric Coefficient by Embedding PNRs in Singe-Phase KNN-Based Ceramics”（《通过在单相KNN基陶瓷中嵌入PNRs实现高压电系数的宽温平台》）为题发表在“Advanced Functional Materials”（《先进功能材料》）上。
西安交通大学材料学院在读博士生杨宇轩为共同第一作者，材料学院武海军教授为共同通讯作者。本项研究工作得到了西安交通大学分析测试中心在电镜微结构表征方面的支持。
文章链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202414348
