压电致动器具有驱动力大、抗电磁干扰、轻量化等优点，被认为是一类极具发展潜力的微位移器件，压电材料作为压电致动器的重要组成单元，其电致应变行为是决定致动器性能的关键因素之一。然而，压电陶瓷电致应变常因畴壁运动的非本征贡献而存在较大滞后效应，从而限制了其应用。为了降低宏畴的滞后效应，一个有效的方法是通过合理的组分设计来破坏铁电体内长程铁电有序的状态，使宏畴态正常铁电体向以纳米畴或极性纳米微区（PNRs）为主的弛豫铁电体转变。由此，深入了解压电陶瓷畴结构及其在电场作用下的动态响应与其电致应变行为之间的本质关联，对于大电致应变陶瓷材料的研发具有重要意义。

室温下PMN-PT-BZT陶瓷的电致应变特性

最近，中国科学院上海硅酸盐研究所李国荣研究员团队以0.73Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.27PbTiO3弛豫铁电陶瓷为研究对象，通过采用局域无序度较高的Bi(Zn1/2Ti1/2)O3作为第三组元来调控陶瓷体系的相结构和畴结构，可同时提高弛豫铁电体系的电致应变和显著降低应变滞后的临界状态。研究发现，通过调控BZT含量，使得PMN-PT-BZT体系陶瓷在室温下具有以纳米畴为主的遍历性弛豫态的特性，并且存在类准同型相界(MPB)的结构特征 — 即在宏观上表现为赝立方相结构，但在微观上却同时存在两种不同的局域结构对称性，这种类MPB结构有利于极化反转，能够促进电场作用下陶瓷由遍历性弛豫态向铁电态的转变，从而使得陶瓷的电致应变能够明显提高。此外，在撤去外电场的过程中，电场诱导的铁电态又能自发地回到初始遍历性弛豫态，从而具有较小的应变滞后。该工作获得的综合性能最优组分体系，在50kV/cm电场强度下，其应变能达到0.24%，应变滞后为15.4%，并且在106次疲劳测试后应变量基本保持不变。该研究成果以“Critical state to achieve a giant electric field-induced strain with a low hysteresis in relaxor piezoelectric ceramics” 为题发表在Journal of Materiomics上。

不同组分陶瓷的畴结构及其在电场下的反转特性

PMN-PT-BZT陶瓷体系的电致应变和应变滞后随组分和温度的变化关系

该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金及上海市自然科学基金等项目的支持。博士生夏翔为论文第一作者，李国荣研究员为论文通讯作者。

来源：上海硅酸盐所

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.jmat.2021.01.007

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