中南大学：无铅铁电材料实现巨大单极应变与超低滞后，高精度致动器的突破性进展
2024-08-15 17:16:54
作者：材料科学与工程 来源：材料科学与工程
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随着智能结构系统需求的日益增长，压电致动器因其紧凑的结构、快速响应和精确位移控制等优势而备受关注。然而，压电/铁电材料在实现高应变和低滞后之间的平衡上一直存在挑战。过去几十年中，尽管科学家们在探索无铅高应变压电/铁电陶瓷方面做出了巨大努力，但材料的电致应变和应变滞后之间的权衡问题仍未得到有效解决。特别是，钡钛酸盐(BNT)基陶瓷因其在实现高单极应变方面的潜力而受到重视，但往往伴随着较大的滞后(>50%)。在这项研究中，研究团队通过创新的组成设计和微观结构调控，成功克服了这一长期存在的科学难题。在这项研究中，研究团队设计了一种新颖的(Bi0.5Na0.5)1-x/100Srx/100TiO3 (BNST-x, x = 30和35)无铅铁电材料，通过在无序弛豫(ER)状态下的协同域结构设计、铁电核、局部极化异质性和缺陷工程，实现了巨大的单极应变和超低滞后。特别地，在x = 30的陶瓷中，实现了1.03%的巨大单极应变和27%的低滞后，而x = 35的陶瓷则展现出接近零的剩余应变和超低的滞后(<10%)。这些材料不仅具有优异的温度和循环稳定性，而且其应变响应与电场无关，显示出约1000 pm/V的大信号压电应变系数。
https://doi.org/10.1038/s41467-024-51082-6
图1 展示了BNST-30和BNST-35陶瓷在不同负电场下的室温单极S-E曲线，以及d33和滞后随电场变化的情况。这些曲线不仅揭示了材料的高应变响应，还显示了超低滞后特性。图2通过透射电子显微镜(TEM)图像展示了BNST-30和BNST-35陶瓷晶粒中纳米级团簇的分布，以及通过能量色散光谱(EDS)分析的元素分布。图3 通过高角环形暗场扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)图像和X射线光电子能谱(XPS)分析，揭示了材料中缺陷偶极子的存在和取向。图4 展示了室温下双极电场循环对BNST-30和BNST-35陶瓷P-E和S-E曲线的影响，以及兰姆光谱分析结果，进一步证实了材料的ER状态和增强的动力学。图5 通过示意图和原位TEM观察，直观地展示了电场作用下非极性到极性转变的发展过程，以及缺陷偶极子对材料极化和应变行为的影响。这项研究不仅在材料科学领域取得了重大突破，而且为高精度致动器的发展提供了新的材料选择。通过精心设计的组成和微观结构调控，研究团队成功打破了长期存在的电致应变和滞后之间的权衡，实现了零铅铁电材料的高单极应变和超低滞后。这些材料的优异性能，如高应变响应、低滞后、良好的温度和循环稳定性，使其成为智能结构系统中理想致动器材料的强有力候选者。此外，该研究提出的策略也可能适用于其他铁电材料，为解决电致应变和滞后之间的权衡问题提供了新的思路。随着进一步的研究和开发，这些材料有望在未来的高科技应用中发挥重要作用。
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