中南大學：無鉛鐵電材料實現巨大單極應變與超低滯后，高精度致動器的突破性進展
2024-08-15 17:16:54
作者：材料科學與工程 來源：材料科學與工程
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隨著智能結構系統需求的日益增長，壓電致動器因其緊湊的結構、快速響應和精確位移控制等優勢而備受關注。然而，壓電/鐵電材料在實現高應變和低滯后之間的平衡上一直存在挑戰。過去幾十年中，盡管科學家們在探索無鉛高應變壓電/鐵電陶瓷方面做出了巨大努力，但材料的電致應變和應變滯后之間的權衡問題仍未得到有效解決。特別是，鋇鈦酸鹽(BNT)基陶瓷因其在實現高單極應變方面的潛力而受到重視，但往往伴隨著較大的滯后(>50%)。在這項研究中，研究團隊通過創新的組成設計和微觀結構調控，成功克服了這一長期存在的科學難題。在這項研究中，研究團隊設計了一種新穎的(Bi0.5Na0.5)1-x/100Srx/100TiO3 (BNST-x, x = 30和35)無鉛鐵電材料，通過在無序弛豫(ER)狀態下的協同域結構設計、鐵電核、局部極化異質性和缺陷工程，實現了巨大的單極應變和超低滯后。特別地，在x = 30的陶瓷中，實現了1.03%的巨大單極應變和27%的低滯后，而x = 35的陶瓷則展現出接近零的剩余應變和超低的滯后(<10%)。這些材料不僅具有優異的溫度和循環穩定性，而且其應變響應與電場無關，顯示出約1000 pm/V的大信號壓電應變系數。
https://doi.org/10.1038/s41467-024-51082-6
圖1 展示了BNST-30和BNST-35陶瓷在不同負電場下的室溫單極S-E曲線，以及d33和滯后隨電場變化的情況。這些曲線不僅揭示了材料的高應變響應，還顯示了超低滯后特性。圖2通過透射電子顯微鏡(TEM)圖像展示了BNST-30和BNST-35陶瓷晶粒中納米級團簇的分布，以及通過能量色散光譜(EDS)分析的元素分布。圖3 通過高角環形暗場掃描透射電子顯微鏡(HAADF-STEM)圖像和X射線光電子能譜(XPS)分析，揭示了材料中缺陷偶極子的存在和取向。圖4 展示了室溫下雙極電場循環對BNST-30和BNST-35陶瓷P-E和S-E曲線的影響，以及蘭姆光譜分析結果，進一步證實了材料的ER狀態和增強的動力學。圖5 通過示意圖和原位TEM觀察，直觀地展示了電場作用下非極性到極性轉變的發展過程，以及缺陷偶極子對材料極化和應變行為的影響。這項研究不僅在材料科學領域取得了重大突破，而且為高精度致動器的發展提供了新的材料選擇。通過精心設計的組成和微觀結構調控，研究團隊成功打破了長期存在的電致應變和滯后之間的權衡，實現了零鉛鐵電材料的高單極應變和超低滯后。這些材料的優異性能，如高應變響應、低滯后、良好的溫度和循環穩定性，使其成為智能結構系統中理想致動器材料的強有力候選者。此外，該研究提出的策略也可能適用于其他鐵電材料，為解決電致應變和滯后之間的權衡問題提供了新的思路。隨著進一步的研究和開發，這些材料有望在未來的高科技應用中發揮重要作用。
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