大爆发！上海交通大学，再发Science！

　　01 研究背景
　　压电致动器可以直接将电信号转换为机械应变，已广泛应用于消费电子产品、交通运输、精密光学仪器、微机电系统和机器人等领域。到2026年，压电致动器领域占据主要份额的世界压电器件市场预计将增长到354亿美元。特别是无铅设备，2019年至2024年的复合年增长率预计高达20.8%。
　　据报道，在含铅材料(Bi,La) FeO3-PbTiO3中，压电陶瓷中最高的电场诱导应变为1.3%，由80 kV/cm的高电场驱动。考虑到禁止使用铅的环境法规，人们已经做出了大量努力来寻找无铅替代品。在无铅压电系统中，(Na1/2Bi1/2)TiO3 (NBT)基陶瓷在50 kV/cm时具有最高的应变约0.7%，但这伴随着较大的滞后，这是由于在高电场的驱动下，在贯穿弛豫相和铁电相之间发生转变。
　　因此，归一化应变Smax/Emax(相当于平均大信号压电应变系数)通常低于1000 pm /V，而NBT基陶瓷在低电场下的应变非常小。相比之下，(K,Na)NbO3 (KNN)基压电陶瓷具有与商业使用的Pb(Zr,Ti)O3 (PZT)陶瓷相当的小信号压电系数。然而，基于KNN的电流陶瓷通常需要复杂的化学计量控制，即使在40至60 kV/cm的电场驱动下，电应变也仅为0.3%。
　　考虑到实际的驱动应用，常见的驱动电场是在20 kV/cm或在基于PZT的陶瓷上。在20 kV/cm的驱动电场下，无铅材料还没有表现出与市售PZT材料相比的电应变性能(包括应变值、滞后、热稳定性和抗疲劳性)。
　　02 研究成果
　　压电致动器以其快速响应和精确位移在许多行业中都是必不可少的。大多数商用压电驱动器含有铅，对环境构成了挑战。上海交通大学郭益平研究员，中国科学院上海硅酸盐研究所傅正钱副研究员、澳大利亚卧龙岗大学张树君教授合作报道了用常规的固相反应方法合成了不经过任何后处理的锶(Sr)掺杂(K,Na)NbO3无铅压电陶瓷，获得了巨大的应变(1.05%)和大信号的压电应变系数(2100 picometer/volt)。产生超高电应变的基本机制是缺陷偶极子和畴开关之间的相互作用。在20kv/cm下的抗疲劳性能、热稳定性和应变值(0.25%)与商用Pb(Zr,Ti) O3基陶瓷相当或更好，显示出巨大的实际应用潜力。这种材料可以为压电驱动器提供一种简单的无铅替代品，并为高性能压电的设计提供了一种范例。相关研究工作以＂Giant electric field–induced strain in lead-free piezoceramics＂为题发表在国际顶级期刊《Science》上。祝贺！
　　03 图文速递
　　图1. KNSN陶瓷的组成与晶体结构及电性能
　　图2. 缺陷偶极子对KNSN3极化和应变行为的影响
　　引入缺陷偶极子被报道是增强电场诱导应变的有效策略。例如，老化BaTiO3单晶中的缺陷偶极子，其中Fe’Ti -V ＂O缺陷偶极子沿自发极化方向局部排列，可以提供一个恢复力来调节可逆域开关，从而产生固定的极化-电场(P-E)滞回回线和大滞回的高应变。在Mn-， Cu-，或fe掺杂KNN陶瓷中，缺陷偶极子导致不对称应变电场(S-E)曲线。虽然在Cu或fe掺杂KNN陶瓷中已经实现了0.4 - 0.5%的高双极应变(由50 kV/cm驱动)和0.18%的单极应变(由35 kV/cm驱动)，但Ar气氛辅助烧结和极化老化过程是必不可少的。因此，人们迫切希望研制成分简单、成本低、加工简便、电应变性能高的无铅陶瓷。
　　作者通过在[K0.5(1-x)Na0.5(1-x)Srx]NbO3（KNSN100x）中引入V’K/Na-V’’O缺陷偶极子实现了优异的应变性能，而不需要任何特殊的处理，如极化老化。在KNSN3 (x = 0.03)陶瓷(x = 0.03)中，在50 kV/cm驱动下，室温下的巨大双极电应变为1.05%，在160℃时为1.67%，这对于无铅陶瓷来说是非常高的值，与无铅或铅基单晶相当。在实际应用场景中，KNSN3陶瓷也比任何其他无铅陶瓷或市售的pz基陶瓷具有更高的单极应变(0.25%@20 kV/cm)。特别令人感兴趣的是，KNSN3陶瓷表现出良好的抗疲劳性、低迟滞和热稳定性，显示出取代铅基压电陶瓷用于驱动器应用的巨大潜力。显微组织和电学表征表明，其优异的应变性能源于外部电场驱动的V’K/Na-V’’O型缺陷偶极子以及缺陷偶极子与畴开关的相互作用。
　　图3. KNSN3的微观结构表征
　　图4. KNSN3具有优异的电应变性能
　　作者使用KNSN陶瓷的X射线衍射(XRD)模式来研究晶体结构的组成依赖性，其中晶体学分度指的是伪单胞。显然，所有KNSN陶瓷都具有纯钙钛矿结构，这意味着Sr离子已经扩散到KNN晶格中。{200}布拉格峰的放大图表明Sr掺杂对平均对称性有显著影响。从峰型来看，KNSN2主要呈正交相，而KNSN6主要呈立方相。Rietveld细化结果表明KNSN陶瓷中存在多相共存。随着Sr含量的增加，正交相的比例减少，立方相的比例增加;此外，在KNSN3、KNSN4和KNSN6陶瓷中发现了四方相，表明Sr可以增强平均晶格对称性。
　　XRD结果与温度依赖的介电测量结果一致，在KNSN2陶瓷中，正交-正方转变(TO-T)和四方-立方转变(TC)的特征温度峰相对较尖，在KNSN3和KNSN4陶瓷中明显变宽，而在KNSN6陶瓷中几乎消失。当温度超过100℃时，随着温度的升高，KNSN3陶瓷的电场致应变进一步增大。最高的电应变-双极1.67%，单极1.2%，对于压电陶瓷来说都是非常高的值-在160°C时实现。还观察到KNSN3在160℃下具有良好的抗疲劳性能。这些性能证明了KNSN3陶瓷在高温致动器应用中的巨大潜力，例如柴油发动机中的压电喷射器。作者还考虑了多态相变是否是观察到的增强应变的原因。在160℃左右发生的扩散介电异常表明是正交-四方相变，而在200 cm−1处拉曼模的消失也证实了晶体对称性的改变。作者预计在室温下可以通过降低To-T来获得更高的应变，例如通过Li掺杂。
　　04 结论与展望
　　在这项研究中，作者提供了所研究的KNSN3陶瓷与代表性压电陶瓷的单极应变性能对比，其中KNSN3优于无铅陶瓷，甚至可以与无铅和铅基单晶媲美。造成巨大电应变的潜在机制是缺陷偶极子与铁电畴的耦合，这是通过定制缺陷偶极子和微观结构来完成的，从而为大应变压电材料的设计提供了一个范例。KNSN具有20 kv/cm以下的高应变、良好的抗疲劳性和热稳定性，有望成为宽温度范围和高压压电驱动器应用中极具潜力的无铅替代品。
　　05 文献
　　文献链接：
　　https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade2964
　　文献原文：
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