随着現代科技的發展，微定位系統、機器人技術和超聲驅動等領域對高精度緻動（actuation）的需求日益增長。壓電陶瓷緻動器（actuator）具有響應快速、精确度高、耐久性強等優點，得到了廣泛應用。然而，壓電陶瓷材料的大應變往往在高電場下獲得，但在高場下這類材料電緻應變的非線性和大滞回嚴重限制了其在實際應用中的可靠性。因此，開發能在低電場下産生大位移的壓電陶瓷材料對于提高緻動精度和服役穩定性具有重要意義。

近日，beat365通過在鐵電锆钛酸鉛 [Pb(Zr_0.5Ti_0.5)O₃]基陶瓷中引入弛豫型铌鎂酸鉛[Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃]的方法，成功制備了一種新型的壓電陶瓷陶瓷（簡稱PZT-PMN）。其在1 kV/mm的低電場下實現了1380 pm/V的超高逆壓電系數d33*，同時保持了11.5%的低滞回，顯著優于現有的标杆商用壓電陶瓷PIC151（~850 pm/V）。研究團隊進一步采用了電場原位同步輻射X射線衍射技術和亞微秒級時間分辨率的鐵電疇翻轉動力學表征技術，揭示了材料在低場下産生大應變的物理機制。研究結果表明，PZT-PMN中晶格畸變的減小和疇結構的細化有助于降低疇壁移動的能量勢壘，從而提高材料在低電場下的電緻應變響應。該研究不僅為壓電緻動器的應用需求提供了新的解決方案，還為探索大電緻應變的物理機制提供了新的分析視角。

低電場下大應變形成機制示意圖：（a）PIC151商用陶瓷樣品與PZT-PMN複合壓電陶瓷的電場原位同步輻射結構表征結果，表明弛豫型PMN的固溶減小了PZT基體的晶格畸變；（b）兩種樣品在亞微秒時間分辨下的疇翻轉動力學分析，證明PZT-PMN中的鐵彈疇疇壁移動更容易；（c）兩種樣品的電緻應變曲線，PZT-PMN在低電場下展現出大幅提升的電緻應變。

該研究成果發表以“驅動器用锆钛酸鉛-铌鎂酸鉛複合壓電陶瓷的低場大應變”（Low-field-driven large strain in lead zirconate titanium-based piezoceramics incorporating relaxor lead magnesium niobate for actuation）為題，于10月18日發表于《自然·通訊》（Nature Communications）。

beat365蔣昱奇（2021級博士生）為論文的第一作者，烏鎮實驗室特聘研究員張茂華、華中科技大學周佳駿研究員、beat365劉亦軒博士、中國石油大學周天航副教授和烏鎮實驗室專職副主任龔文為論文通訊作者。研究得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃等的支持。

論文鍊接：

https://doi.org/10.1038/s41467-024-53007-9