清华大学Nature Materials：无铅压电陶瓷中化学压电效应引起的高电致应变

稀、饭 2周前 (02-28) 301浏览

压电驱动器凭借其快速响应和高精度位移特性，在全球驱动器市场中占据重要地位。其性能的关键因素之一是压电材料的电致应变优值。长期以来，压电陶瓷材料的电致应变普遍低于1%。2022年，研究人员发现了一种经过特殊缺陷调控的铌酸钾钠（KNN）基陶瓷，其室温电致应变高达1.04%。此后，无铅压电陶瓷的高电致应变成为学界关注的焦点。近年来，具有非对称电致应变响应的无铅压电陶瓷不断刷新电致应变记录，其背后的物理机制成为当前研究热点。

   

近日，清华大学材料学院研究团队以热压烧结并经退火处理的KNN陶瓷为研究对象，展示了电致应变响应与陶瓷材料厚度的特殊依赖关系，并实现了1.9%的超高电致应变（在室温、3kV/mm、1Hz条件下，压电常数超过6300pm/V），相比传统KNN陶瓷提升了近50倍。通过多种原位测试表征手段，证实了该电致应变在面内分布较为均匀，且在小于3kV/mm的电场下，其主要贡献并非几何弯曲（如图1所示）。随着KNN陶瓷厚度降低，电致应变显著增加，并表现出电场下的非对称行为，这一现象也存在于其他压电陶瓷体系中（如图1）。

图1. 压电陶瓷中电致应变的厚度依赖行为

进一步研究中，团队借助同位素示踪、脉冲射频辉光放电原子发射光谱、分子动力学以及相场模拟等方法，揭示了氧空位的非均匀分布与短程跃迁在高电致应变响应中的关键作用（如图2、图3）。原位同步辐射X射线衍射与相场模拟结果表明，电场下非均匀分布的氧空位可引起样品表面晶胞的显著体积变化，从而导致较高的电致应变（如图3）。基于此，研究团队提出了“化学压电效应”（Chemopiezoelectric effect）这一新概念，用以描述压电材料中线性压电效应、铁电畴翻转、电致伸缩以及氧空位短程跃迁共同作用下的复杂电致应变现象，该效应与氧空位浓度及其迁移能力密切相关。

图2. KNN压电陶瓷高电致应变的影响因素及机理分析

图3. KNN压电陶瓷中化学压电效应（Chemopiezoelectric effect）

该研究验证了KNN压电陶瓷中氧空位的非均匀分布，阐释了氧空位短程迁移机制，为压电陶瓷及其他氧化物材料的缺陷-性能关系提供了新的分析视角。此外，该KNN压电陶瓷还展现出良好的频率稳定性、温度稳定性和抗疲劳性能，具有通过叠层技术实现在压电多层驱动器中应用的潜力（如图4）。

图4. 化学压电应变的应用稳定性及叠层器件性能

相关成果以“High electrostrain in a lead-free piezoceramic from a chemopiezoelectric effect”为题，发表于Nature Materials。清华大学徐泽博士和北京滚球体育 大学施小明博士为共同第一作者，清华大学刘亦轩博士、北京理工大学黄厚兵教授、澳大利亚伍伦贡大学张树君教授、清华大学王轲研究员为共同通讯作者。其他重要合作者包括澳大利亚新南威尔士大学王丹阳教授、英国诺丁汉大学李明教授、英国帝国理工大学Stephen J. Skinner教授、哈尔滨工业大学田浩教授、清华大学汤浩正博士、中科院强磁场科学中心陈峰教授等。该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的资助。

 

论文信息：Xu, Z., Shi, X., Liu, YX. et al. High electrostrain in a lead-free piezoceramic from a chemopiezoelectric effect. Nat. Mater. (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-024-02092-8

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-024-02092-8

 

课题组近年相关论文：

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  2. Wu B., Zhao L., Feng J., Zhang Y., Song X., Ma J., Tao H., Xu Z., Liu Y.-X., Wang S., Lu J., Zhu F., Han B., Wang K. Contribution of irreversible non-180° domain to performance for multiphase coexisted potassium sodium niobate ceramics[J]. Nature Communications2024, 15, 2408.
  3. Zhang M.-H., Thong H.-C., Jiang B., Zhang N., Zhao C., Wu Z., Zhou T., Wu C., Yao F.,Bi K., Gong W., Xu B.,Wang K. Field‐Induced Polarization Rotation in Order–Disorder (K, Na)NbO3‐Based Ferroelectrics [J]. Advanced Materials 2024, 2413587.
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