材料学院戴叶婧/李斌团队Advanced Materials：无铅压电陶瓷巨大电致应变响应的缺陷偶极子调控策略

压电致动器具有位移准确、体积小、响应快、功耗低等优点，是一种能够直接将电能转换为应变或应力的关键电子器件，广泛应用电子工业、汽车工业、航空航天等领域。对于压电致动器来说，电场诱导的应变是最关键的参数，它在很大程度上决定了压电致动器的行程、精度和效率。目前，压电致动器由含铅体系占据主导地位，迄今为止报道的大于1%的单极电应变值大多来自于铅基单晶或陶瓷，但含铅材料的使用也引起了越来越多的环境和健康问题。

在过去的十年里，各国研究者专注于无铅压电体系电致应变性能的提高，并取得了一系列进展。其中，戴叶婧等人基于对缺陷偶极子的深入理解和系统工作，提出通过调控压电陶瓷中的缺陷偶极子极性大小、排布方式等（Applied Physics Letters 108 (2016) 172906；Acta Materialia 200 (2020) 35-41），可对压电陶瓷的电致应变性能产生显著影响。在无铅压电陶瓷体系中，(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃（BNT）基压电陶瓷通过电场诱导可逆遍历弛豫-铁电相变和缺陷调控，可实现较大的单极电致应变响应（0.45~1.12%）。不过，此前报道的具有大单极电致应变响应的材料体系，普遍存在应变迟滞大和抗疲劳性能差等问题。因此，如何在实现高电致应变性能的同时，有效减小应变迟滞以及提高抗疲劳性能，成为无铅压电材料实现应用的关键。

威廉希尔WilliamHill官方网站料学院提出了一种利用离子掺杂形成与基体自发极化取向一致的缺陷偶极子的设计思想，采用反应模板晶粒生长法制备了<00l>取向的Bi_0.5(Na_0.82K_0.18)_0.5TiO₃-Sr/Nb（BNKT-SrNb）织构陶瓷，通过引入Nb⁵⁺离子，形成了<111>取向的(缺陷偶极子；通过极化，使缺陷偶极子沿极化方向定向，产生较大的内偏电场，导致了不对称的电致应变，获得了巨大单极电致应变（1.6%），同时具有迟滞低（<30%）和抗疲劳性能好（10⁶次疲劳后无衰减）等特点，综合性能媲美铅基压电单晶。利用压电原子力显微镜和原位变电场XRD测试，揭示了电场作用下应变的不对称行为，在微观和宏观上证实了内偏电场的存在。微观结构研究表明，可逆的电场诱导相变、晶粒取向工程以及缺陷偶极子工程的协同贡献是电致应变显著增强的原因。本研究展示了缺陷偶极子提高钙钛矿结构压电材料电致应变性能的巨大潜力，并为开发高性能无铅压电陶瓷致动器提供了一种可行的策略。

图1 织构与随机取向BNKT-SrNb陶瓷的性能比较

图2 BNKT-SrNb织构陶瓷的电致应变性能

图3 不同电场条件下BNKT-SrNb织构陶瓷的畴和晶体结构演化

图4 BNKT-SrNb织构陶瓷的微观结构

图5 不同电场作用下BNKT-SrNb织构陶瓷的电致应变机理

该研究于2023年4月14日，以“Giant Electrostrain in Lead-free Textured Piezoceramics by Defect Dipole Design”为题，发表在材料科学领域学术期刊Advanced Materials上（https://doi.org/10.1002/adma.202300519）。戴叶婧、李斌、赵志浩为通讯作者，2022级博士生赖丽香为第一作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、国家级青年人才项目、国家重点研发计划、广东省杰出青年基金等项目的资助。