随着现代科技的发展，微定位系统、机器人技术和超声驱动等领域对高精度致动（actuation）的需求日益增长。压电陶瓷致动器（actuator）具有响应快速、精确度高、耐久性强等优点，得到了广泛应用。然而，压电陶瓷材料的大应变往往在高电场下获得，但在高场下这类材料电致应变的非线性和大滞回严重限制了其在实际应用中的可靠性。因此，开发能在低电场下产生大位移的压电陶瓷材料对于提高致动精度和服役稳定性具有重要意义。

近日，永利yl23411官网通过在铁电锆钛酸铅 [Pb(Zr_0.5Ti_0.5)O₃]基陶瓷中引入弛豫型铌镁酸铅[Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃]的方法，成功制备了一种新型的压电陶瓷陶瓷（简称PZT-PMN）。其在1 kV/mm的低电场下实现了1380 pm/V的超高逆压电系数d33*，同时保持了11.5%的低滞回，显著优于现有的标杆商用压电陶瓷PIC151（~850 pm/V）。研究团队进一步采用了电场原位同步辐射X射线衍射技术和亚微秒级时间分辨率的铁电畴翻转动力学表征技术，揭示了材料在低场下产生大应变的物理机制。研究结果表明，PZT-PMN中晶格畸变的减小和畴结构的细化有助于降低畴壁移动的能量势垒，从而提高材料在低电场下的电致应变响应。该研究不仅为压电致动器的应用需求提供了新的解决方案，还为探索大电致应变的物理机制提供了新的分析视角。

低电场下大应变形成机制示意图：（a）PIC151商用陶瓷样品与PZT-PMN复合压电陶瓷的电场原位同步辐射结构表征结果，表明弛豫型PMN的固溶减小了PZT基体的晶格畸变；（b）两种样品在亚微秒时间分辨下的畴翻转动力学分析，证明PZT-PMN中的铁弹畴畴壁移动更容易；（c）两种样品的电致应变曲线，PZT-PMN在低电场下展现出大幅提升的电致应变。

该研究成果发表以“驱动器用锆钛酸铅-铌镁酸铅复合压电陶瓷的低场大应变”（Low-field-driven large strain in lead zirconate titanium-based piezoceramics incorporating relaxor lead magnesium niobate for actuation）为题，于10月18日发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。

永利yl23411官网蒋昱奇（2021级博士生）为论文的第一作者，乌镇实验室特聘研究员张茂华、华中科技大学周佳骏研究员、永利yl23411官网刘亦轩博士、中国石油大学周天航副教授和乌镇实验室专职副主任龚文为论文通讯作者。研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划等的支持。

论文链接：

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