【综述】超全面！大应变NBT基无铅压电陶瓷及多层致动器的研究进展与展望

    华中科技大学张海波教授团队在Journal of Materiomics第7卷第3期发表了关于大应变NBT基无铅压电陶瓷及多层致动器进展和展望的最新综述报告：全文探讨了钛酸铋钠（Na_0.5Bi_0.5TiO₃，简称NBT）基大应变无铅压电陶瓷及其多层致动器的研究历史、进展与趋势。首先，从NBT基陶瓷材料大的电致应变的起源出发，探讨了获得大电致应变的几种掺杂改性方法以及影响大应变的外在因素。然后简要总结了当前面向多层压电致动器应用的NBT基陶瓷存在的主要问题（包括驱动电场过大、应变迟滞大、温度稳定性差、烧结温度过高等）。接着，重点讨论了通过微观结构控制和相结构设计来优化应变性能的策略。其次，根据多层驱动器的实际应用，系统地描述了它的特点、应用及制备过程，以及NBT基多层驱动器的最新进展。最后，介绍了NBT基陶瓷材料及多层器件的应用前景。

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相关研究成果发表在Journal of Materiomics第7卷第3期，题目为Progress and perspective of high strain NBT-based lead-free piezoceramics and multilayer actuators. 您可以点击文末“阅读全文”免费下载浏览！

内容梗概 

   多层致动器(MLA)是一种具有响应速度快、功耗低、位移精度高、驱动力大、噪声水平低的固态驱动器件，被广泛应用于精密光学、燃油喷射、微机电系统以及其他定位或驱动系统中。在智能系统中，传感器和MLA与反馈控制电路相结合，以根据环境来适应和修改结构。尽管这类系统已有研究并经过实际检验，但与多层陶瓷电容器（MLCC）相比，MLA的市场容量和产量依然很小。直到最近在最先进的柴油汽车的喷油器系统中引入了MLA才改变了现状，使得大批量生产低成本的MLA成为可能。这些带有MLA的汽车燃油喷射系统的显著特点是，集成在喷油器主体中的MLA可以比由高速电磁阀控制的传统喷油器更快地进行开关操作。此外，与电磁阀控制的最佳喷射系统相比，第三代压电控制喷射器共轨系统可将在160MPa系统压力下的有害物质排放量降低20%，具有很高的喷射计量精度。使用这种新技术，即使对于重型车辆，它也可以满足没有排气后处理装置的欧洲四级排放标准，并增加约10%的功率，同时降低约20%的燃料消耗。在当前全球空气污染和能源危机严重的形势下，迫切需要开发并应用此类产品。

   锆钛酸铅（PbZr_xTi_1-xO₃，简称PZT）具有优异的机电综合性能，被广泛用于电子信息、机电换能、自动控制、微机电系统、生物医学仪器等领域。目前MLA中的压电材料以PZT为主。在多晶PZT基陶瓷材料中，其应变通常小于0.3%。此外，基于PZT的MLA具有较大的位移和大驱动力以及低驱动电压。以商用PZT-5H为例，在20kV/cm条件下可获得约0.15%的应变。然而，由于PZT陶瓷含有大量的铅元素，在生产制造和回收过程中会引起环境和健康安全问题。欧洲以及日本、韩国和中国在内的亚洲的大多数国家已经立法禁止或限制在电子产品中使用含铅物质，以避免它给环境和人类健康造成危害。2003年，欧盟通过了关于“限制有害物质(RoHS)”的法律。随后，日本制定了《家用电子产品回收法》，2006年中国制定了《电子信息产品污染控制管理条例》。虽然由于相关的技术困难，目前允许在压电器件和一些电容器件中使用含铅材料，但该许可的有效期实际上已于2016年7月到期。因此，从健康和环保角度考虑，无铅材料取代PZT是必然趋势。由于目前国际立法以及压电器件的巨大市场，各国对无铅压电材料和器件的研发热情十分高涨，特别是在MLA方面。在MLA应用中，系统的性能由压电材料的机电应变控制。其中，NBT基陶瓷由于其巨大的电致应变、大刚度和高抗疲劳特性，已成为近年来研究最广泛的压电材料之一。

Fig. 1. Strain and its corresponding electric field of PZT-based piezoelectric ceramics.

     Na_0.5Bi_0.5TiO₃（NBT）是一种在室温(RT)下具有三方相结构的铁电材料。它的最大介电常数温度(T_m)约为335°C，去极化温度(T_d)约为186°C。由于铁电相(FE)相和非极性弛豫相(RE)的共存，T_d可以通过化学修饰向下向RT或以下移动，在室温下可获得非极性的NBT基弛豫铁电材料。该材料在临界电场下会发生RE相到FE相的相变，当去除外加场，又恢复到原始状态，这主要是由于这两个相之间的自由能的竞争。这意味着NBT材料的改性过程伴随着较大的场诱导应变的产生。2007年，南京大学张善涛教授在NBT-BaTiO₃-(K，Na)NbO₃(NBT-BT-KNN)陶瓷系统中，首次报道了电场引起的大应变现象，其中在80kV/cm的电场下得到0.45%的应变。后来，其他研究人员在以下成分中发现了类似的现象：NBT-K_0.5Bi_0.5TiO₃-SrTiO₃(NBT-KBT-ST),NBT-SrTiO₃(NBT-ST)。令人惊讶的是，几乎所有基于NBT-BT、NBT-KBT和NBT-ST铁电材料进行化学修饰，都可获得大的电致应变值，远超过了一些软性PZT陶瓷(例如PI陶瓷有限公司的PIC151材料）。为了突出NBT基陶瓷的优异的应变性能，绘制了应变与大信号压电系数d₃₃^∗图。可以看出，大多数NBT基陶瓷的应变远高于商用铅基和其他类型的无铅压电陶瓷。

Fig. 2. Strains and d₃₃^∗ comparison of NBT, BT, KNN, PZT solid solution families.

Fig. 11. Phase diagram of ternary NBT-BT-xM (M = Ta, Nb, Sb) system.

Fig. 18. Diagrams to depict RTGG and TGG procedures.

Fig. 23. The important progress about the driving electric field in giant strain NBT-based ceramics.

Fig. 25. Applications of multilayer actuators.

Fig. 28. A schematic diagram of a multilayer actuator.

展望   

    该综述全面地讨论了大应变NBT基无铅陶瓷及其多层致动器的最新发展。毫无疑问，基于NBT的陶瓷的应变特性决定了其在MLA中的应用。但是，尽管NBT陶瓷表现出一些独特的性能，但它们的某些性能仍然不如含铅陶瓷。因此，在将来的工作中应克服以下问题：（1）大应变仍然需要高驱动电场（E> 3 kV / mm）；（2）驱动电场下的大应变滞后（η> 30％）；（3）较差的应变温度稳定性。

   对于MLA应用，除了大应变NBT基陶瓷本身的可靠性外，制造器件要考虑的其他关键问题还包括：（1）器件设计的可靠性；（2）陶瓷与电极材料之间的低温共烧；（3）内部缺陷和分层；（4）湿温度、机械及电气负载对设备寿命的影响。

    尽管这些缺陷在NBT基的大应变压电陶瓷及其共烧MLA中仍然存在，但不得不承认，经过近十多年的发展，在诸如提高应变性能，阐明应变机制和优化无铅MLA工艺等方面已经取得了巨大的进步。在进一步的研究中，应着重于改善NBT基无铅陶瓷及其多层致动器的综合性能，深入研究在施加电场时材料的结构演变和应变的变化，建立对应的理论模型和经验公式。

作者介绍 

Pengyuan Fan is currently working in School of Materials Science and Engineering as a postdoctoral at Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, China. He received his Ph.D. degree in materials science from Huazhong University of Science and Technology in 2018. His research interests focus on the design and fabrication of lead-free ceramic composites for piezoelectric and dielectric energy storage applications.

Yangjun Zhang is a full professor professor in State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy, School of Vehicle and Mobility at Tsinghua University, Beijing, China. He received his M.S. and Ph.D. degree in aeroengine from Beihang University, Beijing, China, in 1992 and 1995, respectively. He visited Hansung University during 1997–1998 as a visiting scholar. His research interests include engine supercharging and turbo hybrid.

Bo Nan finished his bachelor’s and master’s degree in Powder Metallurgy Research Institute in Central South University (China) and Ph.D. in Brno University of Technology (Czechia). During his Ph.D., he was also working in several labs in University of Birmingham (UK), University of Aveiro and University of Porto (Portugal). He is now a postdoc in Huazhong University of Science and Technology (China). His current research interest focuses on piezoelectric materials, tape casting and 3D printing (direct ink writing).

Haibo Zhang is a full professor professor in School of Materials Science and Engineering at Huazhong University of Science and Technology (HUST). Before joining HUST in 2011, he worked as a postdoctoral researcher in Kochi University Japan and Humboldt Research Fellow in Technique University of Darmstadt Germany. His research interests include lead-free piezoelectric ceramics and piezoelectric devices, dielectric materials for energy storage applications.

Journal of Materiomics（JMAT），被SCI和Scopus收录，影响因子5.797，位于Material Science, multidisciplinary Q1分区，是由中国硅酸盐学会和Elsevier合作出版的英文期刊。点击文末“阅读全文“可免费获取所全文内容。

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The Journal of Materiomics is indexed by SCI  (IF=5.797, rank in Q1 of Material Science, multidisciplinary) and Scopus (Citescore 8.6), aims to provide a continuous forum for the dissemination of research in the general field of materials science, particularly systematic studies of the relationships among composition, processing, structure, property, and performance of advanced inorganic or non-metallic materials. Supported by the Chinese Ceramic Society, the Journal of Materiomics is a peer-reviewed open-access journal.

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