上海交大郭益平教授課題組在無鉛壓電陶瓷致動器領(lǐng)域取得新進展

　　【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，上海交通大學材料科學與工程學院金屬基復合材料國家重點實驗室郭益平課題組在共燒型無鉛壓電陶瓷堆疊致動器領(lǐng)域取得重要進展，研究工作對深入理解缺陷設(shè)計理論及推動壓電致動器在高精度位移控制領(lǐng)域的應用具有重要意義，相關(guān)成果分別發(fā)表在Journal of the European Ceramic Society 及Ceramics International上。
 

　　首先，針對壓電陶瓷材料鉛含量高、無鉛陶瓷致動器難以滿足商用性能標準的技術(shù)難題，成功設(shè)計并制備出了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器，該器件在單極20 kV/cm電場下獲得了900 pm/V的超高逆壓電系數(shù)，遠超商用PZT-5H堆疊致動器的驅(qū)動性能(590 pm/V)，其電致位移輸出性能與驅(qū)動電壓幅值間具有優(yōu)異的線性度(R2 =0.9957)，有助于簡化驅(qū)動模塊的閉環(huán)電路設(shè)計。通過電、熱和力學性能的全面評估，該無鉛陶瓷堆疊致動器表現(xiàn)出響應時間短(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%)、抗機械力學損壞能力強(抗彎強度 137 MPa；斷裂韌性 1.76 MPa·m 1/2)以及交變電場工況下表面積熱量更低等優(yōu)勢特點，展示出替代鉛基致動器的強大潛能。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。
 

　　作為當前市場占有率最高的壓電陶瓷致動元件，共燒型堆疊陶瓷致動器(MLA)憑借低驅(qū)動電壓、高位移精度、快速響應速率、高集成度等優(yōu)勢，在航空航天、生物檢測、消費電子產(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)動電壓下實現(xiàn)更大的位移輸出，通常要求壓電陶瓷在20 kV/cm電場下具有高的電致應變性能，此外，組裝成致動器后，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變性能瓶頸及多層器件研發(fā)的技術(shù)壁壘，研究團隊基于鐵電疇/缺陷偶極子耦合作用機制，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)動電場下，該器件實現(xiàn)了媲美甚至超越商用鉛基致動器的電、熱、力學綜合性能。研究工作進一步將無鉛致動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)出應用于信息通訊技術(shù)與精密定位領(lǐng)域的巨大應用潛力。
 

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

 

　　從理論研究的角度而言，自2022年大應變KNN基陶瓷的研究成果發(fā)表以來(Science 2022，378, 1125)，具有非對稱應變響應的無鉛壓電材料的內(nèi)在物理機制已成為當前研究的熱點內(nèi)容。研究人員將這種獨特現(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)，另有學者認為其源于電場作用下氧空位長程遷移引發(fā)的彎曲效應(Nature 2025，637, 333–338)。為了進一步確認本研究工作中無鉛壓電陶瓷堆疊致動器的形變狀態(tài)，利用面掃激光測振儀及LVDT電感傳感器測試了致動器在驅(qū)動電場下表面各點的位移變化，如圖2所示。可以發(fā)現(xiàn)，各測試點的電致位移輸出幅值差異小，表明致動器的形變均勻地發(fā)生在整個致動器表面，證實該無鉛陶瓷的應變貢獻來源于缺陷偶極子，并非是由器件幾何尺寸導致的彎曲效應。
 

　　圖2. KNSN基MLA電致應變響應機理示意圖; (b) 外電場激勵下KNSN基陶瓷中缺陷偶極子的響應行為示意圖; (c) KNSN基MLA不同測試點的電致位移曲線; (d) KNSN基MLA面掃激光測振結(jié)果

 

　　針對現(xiàn)有共燒型陶瓷堆疊致動器內(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器設(shè)計方案。研究團隊通過向KNSN基陶瓷中摻雜Zr離子與Sn離子并主動設(shè)計K/Na空位來調(diào)控缺陷結(jié)構(gòu)，在單極20 kV/cm電場下獲得了0.24%的電致應變。成功研發(fā)出鎳電極共燒型堆疊陶瓷致動器(KNSNS基MLA)，其單層逆壓電系數(shù)達到890 pm/V，為研發(fā)低成本、高性能、環(huán)保型陶瓷致動器提供了設(shè)計思路和理論指導。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。
 

　　在實際生產(chǎn)應用中，壓電陶瓷致動器不僅要求具有優(yōu)異的綜合驅(qū)動性能，還需兼顧較低的生產(chǎn)經(jīng)濟成本。面對超過 1100 ℃的高溫共燒挑戰(zhàn)，當前陶瓷致動器的內(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競爭力。近幾十年來，為探索更具經(jīng)濟效益的替代方案，研究重點逐漸轉(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)計的大應變 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，氧空位濃度會顯著增加，而 K/Na 空位缺陷的形成則會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導致陶瓷材料的漏導顯著增大。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關(guān)注的科學問題。
 

　　本項研究工作通過摻雜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，通過主動設(shè)計 A 位空位的方式誘導形成-缺陷偶極子，獲得了超越PZT-5H商用陶瓷的驅(qū)動性能(0.17%),為開發(fā)兼具高性能和低成本的無鉛陶瓷致動器提供了切實可行的思路。
 

　　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變曲線; (d) -與-缺陷偶極子示意圖

 

　　為了驗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，研究團隊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)動電場下產(chǎn)生 1.78 μm 的高電致位移輸出，對應單層陶瓷的逆壓電系數(shù)高達 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%)及抗力學損壞能力(抗彎強度 133 MPa；斷裂韌性 1.6 MPa·m1/2)。與氧空位長程遷移誘導高應變的物理機制相比(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)出廣闊的實際應用前景。
 

　　圖4. (a) MLA測試平臺示意圖; (b) KNSNS基MLA的輸出位移回線; (c) 輸出位移與驅(qū)動電壓幅值的線性度; (d) 不同升壓時間下的輸出位移穩(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

 

　　材料科學與工程學院2020級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。成果得到了國家自然科學基金(No. 62474107; No. 52032012)、國家重點研發(fā)計劃(No. 2022YFA1205300; No. 2022YFA1205304)、上海交通大學“深藍計劃”重點項目(SL2022ZD103)的資助。