研究与评论:材料科学杂雷竞技苹果下载志
菜单ISSN: 2321 - 6212
ISSN: 2321 - 6212
贾红瑞，王凌航＊
西安交通大学电子科学与工程系，中国西安
收到:2022年5月06日，稿件编号:joms - 22 - 62952;编辑分配:2022年5月09日joms - 22 - 62952 (PQ);综述:2022年5月23日，QC编号joms - 22 - 62952;修改后:2022年5月30日稿件编号:JOMS 22 - 62952 (R);发表:06-Jun-2022, DOI: 10.4172/2321-6212.10.5.002。
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压电材料作为最具发展前景的高精度位移执行器材料，在过去的几十年里得到了广泛的研究。压电材料的应变响应特性对其在执行器中的应用至关重要。本文简要介绍了提高压电陶瓷应变响应的三种技术及其研究现状。此外，结合研究工作，总结了改进压电陶瓷应变响应的思路。
压电陶瓷;应变反应;Bi-based钙钛矿;掺杂;纹理
精密定位技术作为精密制造、精密测量和精密驱动的关键技术之一，广泛应用于光学工程、航空航天、半导体工业等众多高科技领域。微位移作动器是精密定位系统的关键部件，对精密定位系统的灵敏度和分辨率起着重要作用。压电作动器具有体积小、驱动力大、位移精度高、响应速度快、抗电磁干扰等优点，被认为是目前最具发展前景的微位移作动器[1］．钙钛矿结构的压电陶瓷作为一种压电致动器芯片，不仅具有优异的介电和压电性能，而且具有制备工艺简单、生长时间短、生产成本低等优点，在过去几十年得到了广泛的研究[2］．压电陶瓷的应变特性是决定压电作动器性能的关键因素。目前对压电陶瓷应变特性的研究主要集中在以下三个方面:应变值、应变滞后和温度稳定性。基于本课题组对压电陶瓷应变特性的研究，从三个方面简要总结了提高压电陶瓷应变响应的技术(图1）.
图1:改善铅基压电陶瓷应变响应的技术概述图。
并入铋基钙钛矿
近年来，人们发现无铅铋基陶瓷具有巨大的电场诱发应变响应，但这些无铅铋基陶瓷的致命缺点是应变滞后非常严重，这极大地阻碍了它们在高精度位移执行器中的实际应用。然而，许多铅基压电陶瓷具有较低的应变滞后，但其应变响应小于无铅铋基陶瓷。因此，将铋基钙钛矿加入到铅基压电陶瓷中，形成三元压电陶瓷，可以获得优异的应变响应，这一想法已经得到了我们和其他课题组的证实。我们最近报道了Bi(Mg1／2Zr1／2阿)3.并入PbZrO3.-PbTiO3.在压电陶瓷中形成Bi(Mg1／2Zr1／2阿)3.-PbZrO3.-PbTiO3.三元压电陶瓷，在50 kV/cm时应变响应由0.14%提高到0.33%，应变温度稳定性非常好[3.］．Xia等报道了在50 kV/cm下引入Bi (Zn1/2Ti1/2)O后，应变响应从0.16%提高到0.27%3.变成Pb (Mg)1／3注2／3阿)3.-PbTiO3.压电陶瓷[4］．
一个网站兴奋剂
近几十年来，为了提高压电陶瓷的性能以满足应用要求，研究人员主要集中在压电陶瓷中金属离子掺杂的研究上，并发表了大量优秀的研究成果。Qin等报道了Pr掺杂PMN-PT二元陶瓷在25 kV/cm下的应变响应从0.07%提高到0.12%3 +［5］．Jiang等报道了压电系数(d33)，在20 kV/cm时，PMN-PT陶瓷的应变响应可分别提高到800 pC/N和0.17% [6］．更令压电研究人员兴奋的是，Li等人发现PMN-PT压电陶瓷通过掺杂稀土离子Sm3 +，其压电系数达到1510 pC/N [7］．此后，在铅基压电陶瓷中掺杂稀土离子可以改善压电性能和应变响应的研究近年来得到了广泛的研究。Guo等报道了Eu的压电系数和应变响应3 +-PMN-PT二元陶瓷在20kv /cm下的性能分别达到1420pc /N和0.16% [8］．Babu等报道了压电应变系数(d33*) Sm的3 +掺杂PIN-PMN-PT三元陶瓷比未掺杂PIN-PMN-PT陶瓷大2.5倍，其应变值在20 kV/cm时可达0.15% [9］．在50 kV/cm下，掺杂Sm的PMN-PZN-PT三元陶瓷的应变响应由0.21%提高到0.24%3 +［10］．
纹理
织构技术可以提高压电陶瓷的机电性能通过控制压电陶瓷晶粒的取向以获得类似于单晶的各向异性特性。铅基压电陶瓷的织构研究已得到广泛报道3.模板。因此，利用织构技术进一步改善含铋铅基陶瓷的应变响应也是一个非常新颖的思路。我们最近使用了BaTiO3.模板到纹理Bi (Mg1／2“透明国际”1／2阿)3.pb(毫克1／3注2／3阿)3.-PbTiO3.在40 kV/cm时，该三元压电陶瓷的应变响应从0.23%大幅提高到0.42% [11］．然而，遗憾的是BaTiO3.模板在高铋含量下是不稳定的，因此发现或开发这类压电陶瓷纹理的新模板具有重要意义。此外，我们最近还对Bi(Mg1/2Ti1/2)O进行了织构3.pb(毫克1／3注2／3阿)3.-PbTiO3.同时获得了较大的应变响应(0.39%)和较低的应变滞后(1.94%)，这对其在高位移精密压电作动器中的实际应用具有重要意义[12］．对这些压电陶瓷的应变响应进行了总结表1．
| 类型 | 作文 | 应变(%) | E (kV /厘米) | d33* (pm / V) | 参考文献 |
|---|---|---|---|---|---|
| 无铅 | BNBT-SMS | 0.4 | 55 | 728 | ［13］ |
| BNBT-FN | 0.42 | 50 | 844 | ［14］ | |
| BNBT-Pr | 0.43 | 50 | 770 | ［15］ | |
| BNKT-NN | 0.45 | 55 | 810 | ［16］ | |
| 含铅 | PSN-PMN-PT | 0.12 | 20. | 580 | ［17］ |
| PIN-PMN-PT | 0.17 | 40 | 597 | ［18］ | |
| PZN-PZ-PT | 0.16 | 30. | 658 | ［19］ | |
| PMN-PT-PZ | 0.22 | 40 | 550 | ［20.］ | |
| Bismuth-lead-based | BMZ-PZ-PT | 0.33 | 50 | 660 | ［3.］ |
| BZT-PMN-PT | 0.27 | 50 | 540 | ［4］ | |
| BZT-PZ-PT | 0.28 | 70 | 475 | ［21］ | |
| BZN-PMN-PT | 0.32 | 30. | 865 | ［22］ | |
| BMT-PMN-PT | 0.42 | 70 | 580 | ［23］ | |
| BMT-PZ-PT | 0.39 | 60 | 650 | ［24］ | |
| a位掺杂铅基 | Pr-PMN-PT | 0.12 | 25 | 850 | ［5］ |
| Ce-PMN-PT | 0.17 | 20. | 809 | ［6］ | |
| Sm-PMN-PT | 0.03 | 2 | 1530 | ［7］ | |
| Eu-PMN-PT | 0.17 | 20. | 1400 | ［8］ | |
| Sm-PIN-PMN-PT | 0.15 | 20. | 743 | ［9］ | |
| Sm-PMN-PZN-PT | 0.24 | 50 | 480 | ［10］ | |
| Sm-PMN-PZ-PT | 0.16 | 20. | 820 | ［25］ | |
| Sm-PIN-PZ-PT | 0.19 | 20. | 945 | ［26］ | |
| 变形 | BMT-PMN-PT | 0.42 | 40 | 1050 | ［11］ |
| PYN-PMN-PT | 0.18 | 30. | 589 | ［27］ | |
| PMN-PT | 0.28 | 25 | 680 | ［28］ | |
| PIN-PMN-PT | 0.4 | 50 | 1620 | ［29］ | |
| Sm-PMN-PT | 12 | 20. | 600 | ［30.］ |
注意:*数据是根据参考资料给出或计算的。
表1。钙钛矿结构压电陶瓷的场致应变3.）.
对于高精度位移执行器，压电陶瓷的应变响应和应变滞后是至关重要的参数，因此在改善压电陶瓷应变响应的同时减小应变滞后具有重要意义。此外，压电陶瓷应变的温度稳定性也是压电陶瓷作动器在温度变化相对较大的环境中使用的重要参数。因此，在提高应变响应的同时，开发具有高应变温度稳定性的压电陶瓷也是一个重要的研究方向。此外，上述提高应变响应的思路主要集中在实验上，机理研究报道较少。因此，有必要在更多实验的基础上进行机理研究，以开发出更优良的微位移压电陶瓷。
