壓電致動(dòng)器是許多高精度定位與控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，已被廣泛用于半導(dǎo)體芯片加工、超精密制造、高端科研設(shè)備、空間星際光通訊、生物醫(yī)學(xué)微納操作等關(guān)鍵戰(zhàn)略領(lǐng)域，市場(chǎng)價(jià)值巨大。作為壓電致動(dòng)器的核心元件，壓電陶瓷可實(shí)現(xiàn)電能與機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)換而受到廣泛關(guān)注。其中,環(huán)境友好型高性能無(wú)鉛壓電陶瓷已成為國(guó)際功能材料的重要科學(xué)前沿和技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)之一。雖然無(wú)鉛壓電陶瓷的電致應(yīng)變研究已獲突破，但在實(shí)際應(yīng)用中仍存在滯后和非線性等關(guān)鍵問(wèn)題。因此，如何進(jìn)一步優(yōu)化應(yīng)變特性以滿足實(shí)際應(yīng)用是下一代高性能無(wú)鉛壓電致動(dòng)器的關(guān)鍵科學(xué)挑戰(zhàn)。

圖1高可用應(yīng)變的設(shè)計(jì)策略。

基于上述研究背景，西南民族大學(xué)“介電功能材料與器件”團(tuán)隊(duì)與清華大學(xué)等國(guó)內(nèi)單位合作，設(shè)計(jì)并制備了具有高可用應(yīng)變性能的多相共存KNN無(wú)鉛壓電陶瓷。利用原位變電場(chǎng)同步輻射和瑞利分析深入剖析了應(yīng)變起源，通過(guò)透射電鏡及壓電力顯微鏡等手段解析了鐵電疇形貌及外場(chǎng)下的響應(yīng)特征，建立不可逆非180^o疇與相結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)，闡明了不可逆非180^o疇對(duì)可用應(yīng)變的作用機(jī)制，提出了增強(qiáng)可用應(yīng)變的新方法，對(duì)改善無(wú)鉛材料的功能特性有重要的指導(dǎo)意義。相關(guān)研究成果以“Contribution of irreversible non-180° domain to performance for multiphase coexisted potassium sodium niobate ceramics”為題，發(fā)表在Nature Communications《自然·通訊》上。西南民族大學(xué)吳波副教授為第一作者，西南民族大學(xué)陶紅副研究員、清華大學(xué)王軻研究員、北京大學(xué)人民醫(yī)院王世東教授和北京大學(xué)口腔醫(yī)院韓冰教授為論文共同通訊作者。重要合作者還包括西南民族大學(xué)趙林高級(jí)實(shí)驗(yàn)師、上海光源朱方圓博士，清華大學(xué)材料學(xué)院劉亦軒博士、徐澤博士等。該項(xiàng)研究得到國(guó)家重點(diǎn)專項(xiàng)計(jì)劃（2020YFA0711700）和國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目（52202149）等的支持。

西南民族大學(xué)“介電功能材料與器件”團(tuán)隊(duì)以高性能無(wú)鉛壓電陶瓷及器件為研究對(duì)象，重點(diǎn)開(kāi)展材料設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)解析、性能調(diào)控及器件優(yōu)化等研究。團(tuán)隊(duì)成員主持或主研國(guó)家級(jí)、省部級(jí)項(xiàng)目多項(xiàng)，發(fā)明專利多項(xiàng)。近年來(lái)，團(tuán)隊(duì)成員發(fā)表SCI收錄論文100余篇，其中包括Nature Communications、Journal of the American Chemical Society等頂級(jí)期刊以及Journal of Materials Chemistry A、Materials Horizons、Journal of the European Ceramic Society、Journal of Materials Science & Technology、ACS Applied Materials & Interfaces等國(guó)際知名期刊。