高應變壓電陶瓷作為核心電子元件已被廣泛應用於航空航天微型推進器、燃料噴射器、主動減振、納微定位、光學聚焦等領域。到 2026 年，全球壓電市場規模預計將達到 ≈354 億美元，年複合增長率約為 4.3%。Pb(Zr,Ti)O3 (PZT)基陶瓷因其優異的綜合性能和靈活的組件可調性而成為最受青睞的材料。然而，隨著人類健康和生態環境逐漸受到重視，多國政府紛紛立法禁止在製造過程中使用含鉛材料。幾十年來推動高性能無鉛壓電陶瓷的發展具有重大的必要性和經濟意義。由於日益增長的環境問題，基於大應變 (K,Na)NbO3 (KNN) 的壓電陶瓷對下一代執行器很有吸引力。然而，溫度穩定性差的劣質性能極大地阻礙了它們的工業化進程。
來自上海交通大學郭益平教授課題組提出了一種可行的策略，通過引入 V』K/Na -VO. 缺陷偶極子並構建晶粒取向來增強 KNN 基壓電陶瓷的應變性能和溫度穩定性。這種紋理度為 90.3% 的紋理陶瓷表現出巨大的應變 (1.35%) 和較大的逆壓電係數 d33*(2700 pm V−1)，優於大多數無鉛壓電陶瓷甚至一些單晶。同時，通過織構工程，100℃–200℃ 高溫下的應變偏差從 61% 明顯減輕到 35%。從實際應用的角度來看，壓電執行器通常以多層的形式使用。為了說明在多層致動器上的適用性，製造了由 5 層 0.4 毫米厚的陶瓷組成的堆疊式致動器。它可以產生大的場致位移（11.6 µm），進一步證明了其在精確定位和光調製方面的潛力。這項工作提供了一種基於紋理KNN 的壓電陶瓷，具有溫度穩定的巨應變特性，並促進了致動器應用中的無鉛壓電陶瓷材料。相關文章以「Giant Electric Field-Induced Strain with High Temperature-Stability in Textured KNN-Based Piezoceramics for Actuator Applications」標題發表在Advanced Functional Materials。
圖 1.a) 0T-KNN 和 b) T-KNN 壓電陶瓷的 XRD 圖。c) 0T-KNN 和 d) T-KNN 壓電陶瓷的熱蝕刻 SEM 橫截面圖像
圖 2. a) 0T-KNN和 b) T-KNN 壓電陶瓷在不同頻率下的介電常數-溫度曲線。在 c) 0T-KNN 和 d) T-KNN 壓電陶瓷的 20 kV cm−1至 50 kV cm−1電場下測量的 P-E 迴路。d) 中插入的圖表顯示了 0T-KNN 和 T-KNN 在 50 kV cm−1時的 P-E 磁滯環比較。
圖 3. a) 雙極和 b) 0T-KNN 在電場從 20 kV cm−1到50 kV cm−1 的單極應變行為。c) 0T-KNN 的 Smax/Emax 值和應變值與施加電場的關係圖。d) T-KNN 在 20 kV cm−1至 50 kV cm−1電場下的雙極和 e) 單極應變行為。f) T-KNN 的 Smax/Emax 值和應變值與施加電場的關係圖。g) 具有巨大應變特性的代表性壓電陶瓷之間的歸一化雙極應變比較。
圖 4.a) 正交晶體的工程域配置。b) d33* 輪廓在正交對稱中的方向依賴性。c）說明不對稱和巨應變行為機制的示意圖。d) 名為 i) BNb-VO和 ii) V』K/Na -VO的兩種不同類型缺陷偶極子的示意圖。
圖 5. a) 0T-KNN和 b) T-KNN 在室溫、60 ℃、80 ℃、100 ℃、140 ℃、160 ℃、180 ℃ 和 200 ℃ 下的單極應變曲線. c) 0T-KNN 和 T-KNN 的單極應變變化曲線作為環境溫度的函數。d）本研究中 0T-KNN 和T-KNN 在 100 ℃–160 ℃ 溫度範圍內的單極應變與文獻中報導的其他壓電陶瓷的比較，包括參考文獻[20,37–41]
圖 6.a) Digimicro DFC-050B 千分尺用於測量堆疊式執行器 T-KNNA。b) Digimicro DFC-050B千分尺測得的T-KNNA在不同外加電場下的電場誘導位移曲線。c）通過雷射掃描測振儀測量的 T-KNNA 的場致位移曲線。d) 用於放大的槓桿測試平台示意圖。e) T-KNNA 受到-40 kV cm−1刺激時雷射光斑移動的照片演示。f) 光敏元件電場感應位移檢測電路示意圖。g) T-KNNA在不同電信號作用下光敏元件的輸出光電壓信號曲線.
總之，本研究開發了基於 KNN 的紋理壓電陶瓷，雙極應變為 1.35%（對應於 d33* = 2700 pm V−1），單極應變為 0.83%（對應於 d33* = 1660 pm V−1）低於 50室溫下的 kV cm−1，這歸因於 V』K/Na -VO 缺陷偶極子和單軸晶粒取向的協同作用。此外，通過紋理工程，在 100 ℃ 至 200 ℃ 的溫度範圍內實現了 +35% 的較低單極應變變化，進一步擴展了它們在高溫場景中的應用前景。由紋理化無鉛KNSN/NiO 陶瓷製成的堆疊型致動器可在 40 kV cm−1下產生 11.6 µm 的位移，表明該材料在多層致動器上具有出色的適用性。通過應用示範，證明該材料具有廣闊的應用前景，包括精密定位、光調製、噴油器等工業領域。（文：SSC）
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