科研快讯 | 通过缺陷偶极子工程实现无铅压电陶瓷中超大厚度无关纵向应变

 近日，浙江大学基础交叉研究院综合交叉研究领域成员、材料学院吴勇军教授、洪子健研究员、黄玉辉副教授联合在Advanced Functional Materials发表题为“Exceptionally Large Thickness-Independent LongitudinalStrain in Lead-free Piezoceramics via Defect DipoleEngineering”的研究成果。

压电致动器在精密光学系统、微机电系统和智能机器人等先进应用中至关重要，其核心是压电材料。传统无铅压电陶瓷如BF-BT虽具有大极化强度和高压里温度，但其压电应变系数(d33*)较低(<600 pm/V)。近年来，缺陷偶极工程被证明可显著增强应变，但在KNN和BNT等材料体系中，超大应变往往源于弯曲变形且具有明显的厚度依赖性。因此，开发具有厚度无关大应变的无铅压电陶瓷具有重要意义。

该研究通过缺陷偶极工程在无铅BF67-BT33压电陶瓷中成功获得厚度无关的、不对称的大纵向电致应变。相场模拟与实验结果表明，该应变源于缺陷偶极与自发极化协同产生的内偏场，而非弯曲变形。材料在80°C、20 kV/cm的低电场条件下表现出优异的电致应变性能：最大纵向应变达0.38%，相应的压电应变系数d33*高达1933 pm/V。基于该材料制备的单阵元超声换能器表现出宽带宽(58.3%, -6 dB)、高机电耦合系数(39.5%)和高发射灵敏度(0.93 kPa/V)，性能可与商用铅基产品相媲美。这项工作深化了对压电陶瓷电致应变机制的理解，为开发高性能无铅压电超声换能器和致动器开辟了新方向。