【项目名称】

无铅压电陶瓷电致应变调控新机制

【项目负责人】

郭益平

【项目完成人】

郭益平、皇甫庚、王彬全、王杰

【项目完成单位】

材料科学与工程学院

【项目简介】

目前商用压电驱动器主要由氧化铅含量超过60 wt%的锆钛酸铅(PZT)陶瓷组成，在制备、使用、回收和废弃过程中，给生态环境和社会可持续发展带来严重危害。然而无铅压电陶瓷其综合性能远低于商用的PZT陶瓷。因此开发出综合应变性能优异的无铅压电陶瓷陶瓷及器件已经成为国际上的重要科学前沿和技术竞争焦点。

项目团队针对铌酸钾钠(KNN)基无铅压电陶瓷电致应变调控新机制开展了系列研究工作，在多尺度结构调控、铁电畴与缺陷偶极子耦合理论、新型无铅压电陶瓷驱动器的结构设计与应用开发等方面取得了创新性研究成果：在锶元素掺杂的 KNN 基陶瓷中获得了超大电致应变以及可媲美商用铅基陶瓷的综合性能（大应变、低驱动电压、低滞后、优异的耐疲劳性能和热稳定性）。研究揭示了缺陷偶极子定向排列造成固定极化和不对称应变行为的原理，解明了多层次结构与独特应变行为的关联机制；发展了缺陷偶极子的相关理论，提出了定向的缺陷偶极子与铁电畴相互作用模型，创新了大应变无铅压电陶瓷的设计理论。相关论文发表在国际顶级学术期刊Science上，成为Science刊发的全球首篇无铅压电陶瓷驱动领域论文，入选ESI热点论文（被引频次进入材料科学领域前0.1%）。

项目团队已实现了无铅宏观纤维复合材料驱动器、弯曲驱动器及共烧型堆叠陶瓷驱动器等压电器件核心技术的自主掌控，并联合国内企业成功推出了无铅压电陶瓷驱动器中试产品，其核心性能已超越商用铅基陶瓷元件，该研究工作填补了无铅陶瓷驱动器应用的空白，在芯片热管理、触觉反馈、极紫外光发生器及精密定位系统等领域具有重要应用前景。