上海交大郭益平教授课题组在无铅压电陶瓷致动器领域取得新进展

上海交大科研团队在无铅压电陶瓷堆叠致动器领域取得突破性进展，相关成果发表于《欧洲陶瓷学会期刊》和《国际陶瓷学报》。该团队成功研制出性能优异的ag/pd内电极共烧型锶掺杂铌酸钾钠（knn）基无铅压电陶瓷堆叠致动器，其逆压电系数高达900 pm/v，显著优于商用pzt-5h堆叠致动器（590 pm/v），并具有极佳的线性度（r²=0.9957）。

该新型致动器兼具响应速度快（1 ms）、温度稳定性好（室温至100℃区间内位移变化率仅7.6%）、疲劳循环稳定性高（106次电循环后性能衰减4.7%）、机械强度高（抗弯强度137 MPa，断裂韧性1.76 MPa·m^1/2）以及低发热等优势，展现出替代铅基致动器的巨大潜力。“Co-fired lead-free piezoceramic multilayer actuators with ultrahigh electro-strain and remarkable comprehensive properties”为题的研究论文已发表在《欧洲陶瓷学会期刊》。

共烧型堆叠陶瓷致动器（MLA）因其低驱动电压、高精度、快速响应和高集成度等优点，广泛应用于航空航天、生物医学、消费电子等领域。为进一步提升其性能，研究团队基于铁电畴/缺陷偶极子耦合作用机制，利用流延成型技术制备出单层厚度仅为50 μm、有效层数达20层的KNSN基MLA。该器件在相同驱动电场下，性能可与甚至超越商用铅基致动器。将其集成于快反镜原型装置后，实现了0.78 μrad/V的镜面偏转灵敏度和R²=0.9941的线性度（如图1所示），展现出在信息通讯和精密定位领域的巨大应用潜力。

图1. (a-e) 共烧型KNN基无铅压电陶瓷堆叠陶瓷致动器与商用PZT-5H致动器产品性能对比图; (f) 装配有KNN基陶瓷堆叠致动器的快反镜性能

针对Ag/Pd内电极成本过高的问题，研究团队开发出基于贱金属内电极的堆叠陶瓷致动器。通过在KNSN基陶瓷中掺杂Zr和Sn离子并调控K/Na空位，成功研制出镍电极共烧型堆叠陶瓷致动器（KNSNS基MLA），其单层逆压电系数达到890 pm/V，为低成本、高性能、环保型陶瓷致动器的研发提供了新思路。“Defect dipole-induced ultrahigh eletrostrain in KNN-based piezoceramics for co-fired multilayer actuators with nickel electrodes”为题的研究成果已发表在《国际陶瓷学报》。

图2. KNSN基MLA电致应变响应机理示意图; (b) 外电场激励下KNSN基陶瓷中缺陷偶极子的响应行为示意图; (c) KNSN基MLA不同测试点的电致位移曲线; (d) KNSN基MLA面扫激光测振结果

为解决现有共烧型陶瓷堆叠致动器内电极材料依赖昂贵贵金属的问题，该团队致力于研发基于镍或铜等贱金属内电极的堆叠陶瓷共烧技术。通过掺杂Zr和Sn离子并调控空位缺陷，有效抑制了氧空位的短程跃迁，提升了缺陷的活化能和介电绝缘性，同时诱导形成缺陷偶极子，最终获得了优于PZT-5H商用陶瓷的驱动性能（0.17%）。

图3. (a-c) 不同Zr离子掺杂含量及A位空位浓度的块体陶瓷的电致应变曲线; (d) -与-缺陷偶极子示意图

研究团队利用流延制备工艺成功制备出镍金属内电极共烧型KNSNS基MLA（单层厚度50 μm，有效层数20层）。该器件在20 kV/cm驱动电场下产生1.78 μm的高电致位移输出，单层陶瓷逆压电系数高达890 pm/V，并具有优良的温度稳定性（室温至100℃下变化率6.7%）、疲劳循环稳定性（106次电循环后衰减5.2%）以及高机械强度（抗弯强度133 MPa，断裂韧性1.6 MPa·m^1/2）。与氧空位长程迁移机制相比，该缺陷偶极子结构的应变调控策略具有更优异的抗疲劳循环稳定性，展现出广阔的应用前景。

图4. (a) MLA测试平台示意图; (b) KNSNS基MLA的输出位移回线; (c) 输出位移与驱动电压幅值的线性度; (d) 不同升压时间下的输出位移稳定性; (e) 室温至100 ℃温区内的输出位移变化曲线; (f) 疲劳循环稳定性

该研究的第一作者为上海交通大学材料科学与工程学院2020级直博生王彬全，通讯作者为郭益平教授。该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划和上海交通大学“深蓝计划”重点项目的资助。

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