【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院金屬基復(fù)合材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室郭益平課題組在共燒型無鉛壓電陶瓷堆疊致動(dòng)器領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，研究工作對(duì)深入理解缺陷設(shè)計(jì)理論及推動(dòng)壓電致動(dòng)器在高精度位移控制領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義，相關(guān)成果分別發(fā)表在Journal of the European Ceramic Society 及Ceramics International上。
 

　　首先，針對(duì)壓電陶瓷材料鉛含量高、無鉛陶瓷致動(dòng)器難以滿足商用性能標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)難題，成功設(shè)計(jì)并制備出了Ag/Pd內(nèi)電極共燒型鍶摻雜鈮酸鉀鈉(KNN)基無鉛壓電陶瓷堆疊致動(dòng)器，該器件在單極20 kV/cm電場(chǎng)下獲得了900 pm/V的超高逆壓電系數(shù)，遠(yuǎn)超商用PZT-5H堆疊致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)性能(590 pm/V)，其電致位移輸出性能與驅(qū)動(dòng)電壓幅值間具有優(yōu)異的線性度(R2 =0.9957)，有助于簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)模塊的閉環(huán)電路設(shè)計(jì)。通過電、熱和力學(xué)性能的全面評(píng)估，該無鉛陶瓷堆疊致動(dòng)器表現(xiàn)出響應(yīng)時(shí)間短(1 ms)、溫度穩(wěn)定性及疲勞循環(huán)穩(wěn)定性優(yōu)良(室溫至100 ℃區(qū)間內(nèi)輸出位移變化率7.6%，且歷經(jīng)106次電循環(huán)后性能衰減4.7%)、抗機(jī)械力學(xué)損壞能力強(qiáng)(抗彎強(qiáng)度 137 MPa；斷裂韌性 1.76 MPa·m 1/2)以及交變電場(chǎng)工況下表面積熱量更低等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，展示出替代鉛基致動(dòng)器的強(qiáng)大潛能。研究成果以“Co-fired lead-free piezoceramic multilayer actuators with ultrahigh electro-strain and remarkable comprehensive properties”為題發(fā)表在高水平期刊Journal of the European Ceramic Society上。
 

　　作為當(dāng)前市場(chǎng)占有率最高的壓電陶瓷致動(dòng)元件，共燒型堆疊陶瓷致動(dòng)器(MLA)憑借低驅(qū)動(dòng)電壓、高位移精度、快速響應(yīng)速率、高集成度等優(yōu)勢(shì)，在航空航天、生物檢測(cè)、消費(fèi)電子產(chǎn)品、精密加工和激光通訊等高新科技領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用。為了在更低的驅(qū)動(dòng)電壓下實(shí)現(xiàn)更大的位移輸出，通常要求壓電陶瓷在20 kV/cm電場(chǎng)下具有高的電致應(yīng)變性能，此外，組裝成致動(dòng)器后，單層陶瓷的厚度需控制在75 μm以內(nèi)。為突破無鉛陶瓷材料的應(yīng)變性能瓶頸及多層器件研發(fā)的技術(shù)壁壘，研究團(tuán)隊(duì)基于鐵電疇/缺陷偶極子耦合作用機(jī)制，利用流延成型技術(shù)制備獲得單層陶瓷厚度為50 μm、有效層數(shù)為20層的KNSN基MLA。在相同的驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)下，該器件實(shí)現(xiàn)了媲美甚至超越商用鉛基致動(dòng)器的電、熱、力學(xué)綜合性能。研究工作進(jìn)一步將無鉛致動(dòng)器集成于快反鏡原型裝置中，獲得了0.78 μrad/V的鏡面偏轉(zhuǎn)靈敏度及R2=0.9941的線性度(如圖1所示)，展現(xiàn)出應(yīng)用于信息通訊技術(shù)與精密定位領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力。
 

　　圖1. (a-e) 共燒型KNN基無鉛壓電陶瓷堆疊陶瓷致動(dòng)器與商用PZT-5H致動(dòng)器產(chǎn)品性能對(duì)比圖; (f) 裝配有KNN基陶瓷堆疊致動(dòng)器的快反鏡性能

 

　　從理論研究的角度而言，自2022年大應(yīng)變KNN基陶瓷的研究成果發(fā)表以來(Science 2022，378, 1125)，具有非對(duì)稱應(yīng)變響應(yīng)的無鉛壓電材料的內(nèi)在物理機(jī)制已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)內(nèi)容。研究人員將這種獨(dú)特現(xiàn)象歸因于鈣鈦礦A位空位與氧空位形成的-缺陷偶極子結(jié)構(gòu)，另有學(xué)者認(rèn)為其源于電場(chǎng)作用下氧空位長(zhǎng)程遷移引發(fā)的彎曲效應(yīng)(Nature 2025，637, 333–338)。為了進(jìn)一步確認(rèn)本研究工作中無鉛壓電陶瓷堆疊致動(dòng)器的形變狀態(tài)，利用面掃激光測(cè)振儀及LVDT電感傳感器測(cè)試了致動(dòng)器在驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)下表面各點(diǎn)的位移變化，如圖2所示。可以發(fā)現(xiàn)，各測(cè)試點(diǎn)的電致位移輸出幅值差異小，表明致動(dòng)器的形變均勻地發(fā)生在整個(gè)致動(dòng)器表面，證實(shí)該無鉛陶瓷的應(yīng)變貢獻(xiàn)來源于缺陷偶極子，并非是由器件幾何尺寸導(dǎo)致的彎曲效應(yīng)。
 

　　圖2. KNSN基MLA電致應(yīng)變響應(yīng)機(jī)理示意圖; (b) 外電場(chǎng)激勵(lì)下KNSN基陶瓷中缺陷偶極子的響應(yīng)行為示意圖; (c) KNSN基MLA不同測(cè)試點(diǎn)的電致位移曲線; (d) KNSN基MLA面掃激光測(cè)振結(jié)果

 

　　針對(duì)現(xiàn)有共燒型陶瓷堆疊致動(dòng)器內(nèi)電極Ag/Pd金屬成本過高問題，提出了基于賤金屬內(nèi)電極共燒的堆疊陶瓷致動(dòng)器設(shè)計(jì)方案。研究團(tuán)隊(duì)通過向KNSN基陶瓷中摻雜Zr離子與Sn離子并主動(dòng)設(shè)計(jì)K/Na空位來調(diào)控缺陷結(jié)構(gòu)，在單極20 kV/cm電場(chǎng)下獲得了0.24%的電致應(yīng)變。成功研發(fā)出鎳電極共燒型堆疊陶瓷致動(dòng)器(KNSNS基MLA)，其單層逆壓電系數(shù)達(dá)到890 pm/V，為研發(fā)低成本、高性能、環(huán)保型陶瓷致動(dòng)器提供了設(shè)計(jì)思路和理論指導(dǎo)。研究成果以“Defect dipole-induced ultrahigh eletrostrain in KNN-based piezoceramics for co-fired multilayer actuators with nickel electrodes”為題發(fā)表在高水平期刊Ceramics International上。
 

　　在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，壓電陶瓷致動(dòng)器不僅要求具有優(yōu)異的綜合驅(qū)動(dòng)性能，還需兼顧較低的生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)成本。面對(duì)超過 1100 ℃的高溫共燒挑戰(zhàn)，當(dāng)前陶瓷致動(dòng)器的內(nèi)電極材料仍主要依賴昂貴的鈀、鉑等貴金屬，這顯著削弱了其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。近幾十年來，為探索更具經(jīng)濟(jì)效益的替代方案，研究重點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)向還原燒結(jié)氣氛下采用鎳或銅等賤金屬作為內(nèi)電極的堆疊陶瓷共燒技術(shù)。基于缺陷偶極子設(shè)計(jì)的大應(yīng)變 KNN 基陶瓷含有豐富的 K/Na 空位與氧空位缺陷結(jié)構(gòu)，在還原燒結(jié)氣氛下，氧空位濃度會(huì)顯著增加，而 K/Na 空位缺陷的形成則會(huì)受到抑制缺陷濃度的失衡不僅影響了-缺陷偶極子的形成，而且額外的游離氧空位會(huì)導(dǎo)致陶瓷材料的漏導(dǎo)顯著增大。因此，如何提升氧空位的活化能，又能確保有足夠多的與形成缺陷偶極子是需要重點(diǎn)關(guān)注的科學(xué)問題。
 

　　本項(xiàng)研究工作通過摻雜Zr離子與Sn離子提高了陶瓷的抗還原性質(zhì)，利用空位型和低價(jià)態(tài)離子取代型缺陷的協(xié)同調(diào)控，有效抑制了氧空位的短程躍遷跳變行為，提升了缺陷的活化能和介電絕緣性。另一方面，通過主動(dòng)設(shè)計(jì) A 位空位的方式誘導(dǎo)形成-缺陷偶極子，獲得了超越PZT-5H商用陶瓷的驅(qū)動(dòng)性能(0.17%),為開發(fā)兼具高性能和低成本的無鉛陶瓷致動(dòng)器提供了切實(shí)可行的思路。
 

　　圖3. (a-c) 不同Zr離子摻雜含量及A位空位濃度的塊體陶瓷的電致應(yīng)變曲線; (d) -與-缺陷偶極子示意圖

 

　　為了驗(yàn)證本研究工作提出的缺陷調(diào)控策略在還原氣氛中與賤金屬電極的共燒兼容性，研究團(tuán)隊(duì)通過流延制備工藝成功獲得了鎳金屬內(nèi)電極共燒型KNSNS基MLA(單層厚度為50 μm，有效層數(shù)為20層)。該器件能夠在 20 kV/cm 的驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)下產(chǎn)生 1.78 μm 的高電致位移輸出，對(duì)應(yīng)單層陶瓷的逆壓電系數(shù)高達(dá) 890 pm/V，并具備優(yōu)良的溫度穩(wěn)定性(室溫至 100 ℃下變化率 6.7%)、疲勞循環(huán)穩(wěn)定性(106次電循環(huán)后衰減5.2%)及抗力學(xué)損壞能力(抗彎強(qiáng)度 133 MPa；斷裂韌性 1.6 MPa·m1/2)。與氧空位長(zhǎng)程遷移誘導(dǎo)高應(yīng)變的物理機(jī)制相比(相關(guān)研究見https://doi.org/10.1038/s41563-024-02092-8，104次循環(huán)性能衰減10%)，本研究構(gòu)建缺陷偶極子結(jié)構(gòu)的應(yīng)變調(diào)控策略能夠獲得更優(yōu)異的抗疲勞循環(huán)穩(wěn)定性，展現(xiàn)出廣闊的實(shí)際應(yīng)用前景。
 

　　圖4. (a) MLA測(cè)試平臺(tái)示意圖; (b) KNSNS基MLA的輸出位移回線; (c) 輸出位移與驅(qū)動(dòng)電壓幅值的線性度; (d) 不同升壓時(shí)間下的輸出位移穩(wěn)定性; (e) 室溫至100 ℃溫區(qū)內(nèi)的輸出位移變化曲線; (f) 疲勞循環(huán)穩(wěn)定性

 

　　材料科學(xué)與工程學(xué)院2020級(jí)直博生王彬全為上述兩篇論文的第一作者，郭益平教授為論文的通訊作者。成果得到了國(guó)家自然科學(xué)基金(No. 62474107; No. 52032012)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(No. 2022YFA1205300; No. 2022YFA1205304)、上海交通大學(xué)“深藍(lán)計(jì)劃”重點(diǎn)項(xiàng)目(SL2022ZD103)的資助。