Как ключевой компонент систем высокоточного позиционирования и преобразования силы, пьезоэлектрические приводы играют незаменимую роль в таких областях точного производства, как авиакосмическая отрасль, автомобилестроение и биологический отбор проб. По мере продолжающегося расширения глобального рынка пьезоэлектрической индустрии отрасль предъявляет к приводам строгие требования — в частности, к разрешению смещений на наноуровне, скорости реакции в масштабе миллисекунд и высокой удельной мощности. В настоящее время свинцовые релаксационные сегнетоэлектрики, благодаря своим выдающимся электромеханическим свойствам и особенно своей ключевой роли в компенсации микросмещений, по‑прежнему остаются основным направлением исследований и применения в этой сфере. Однако существующие высокопроизводительные пьезоэлектрические материалы в реальных условиях эксплуатации часто подвергаются сложным внешним воздействиям, что становится узким местом, ограничивающим долговременную стабильную работу оборудования.

Основная проблема современных пьезоэлектрических материалов заключается в том, что наиболее эффективные мягкие релаксационные сегнетоэлектрики чрезвычайно чувствительны к механическим нагрузкам, переменным электрическим полям и колебаниям окружающей температуры. При практической работе приводов, вырабатывающих механическую работу, высокие напряжения часто приводят к нелинейной зависимости между управляющим напряжением и деформацией, а в некоторых случаях даже вызывают ферроэластические доменные переходы, что существенно снижает их эксплуатационные характеристики. Кроме того, вопрос о том, как в широком диапазоне температур обеспечить баланс между высоким пьезоэлектрическим коэффициентом и термической стабильностью, а также уменьшить потери энергии, обусловленные ограничением движения доменных стенок, по‑прежнему остаётся нерешённой задачей научного сообщества. Для преодоления этих трудностей исследователи применяют такие методы, как легирование редкоземельными ионами, чтобы ввести локальную структурную неоднородность, стремясь добиться высокой надёжности и высокой энергоэффективности электромеханического преобразования в экстремальных условиях.

В ответ на указанные выше проблемы исследовательская группа, в состав которой вошли Фошаньская лаборатория Сяньху, Уханьский политехнический университет и Городской университет Гонконга, провела систематическое исследование с использованием настольных сканирующих электронных микроскопов серии ZEM компании «ZEPTOOLS». Путём введения 2,5‑процентной примеси европия в релаксационную сегнетоэлектрическую керамику PMN‑PZ‑PT удалось успешно сформировать структуру квазимонотипической фазовой границы с нанодоменами высокой подвижности и раскрыть механизм стресс‑доминируемого перехода электромеханических свойств, что обеспечивает ключевые проектные принципы для разработки пьезоэлектрических приводов, сочетающих высокую плотность выходной мощности и термостабильность в экстремальных условиях.

Заголовок: Динамическое электромеханическое поведение керамики PMN‑PZ‑PT, легированной европием: преобладание напряжений и термическая стабильность для применения в актуаторах
Журнал: Акта Материалеа
Веб-сайт: https:// doi.org/10.1016/j.actamat.2026.122053

Исследовательская группа синтезировала пьезоэлектрическую керамику трёхкомпонентной системы свинцово‑магниевого ниобата — свинцово‑циркониево‑титанатного сплава, легированную европием, методом твёрдофазного спекания. Путём систематической регулировки содержания титаната свинца удалось формировать структуру состава, находящуюся вблизи морфотропной фазовой границы. Результаты экспериментов показали, что при содержании титаната свинца 0,33 материал демонстрирует выдающиеся электромеханические свойства: коэффициент пьезоэлектрического заряда достигает 1030 пКл/Н, а коэффициент пьезоэлектрической деформации — на уровне 1310 пм/В при низком электрическом поле. Существенное улучшение этих характеристик обусловлено процессом поворота поляризации, индуцированным совместным присутствием нескольких фаз на фазовой границе, а также локальной структурной неоднородностью, возникающей вследствие легирования ионами европия; это, в свою очередь, эффективно снижает энергетический барьер переключения доменов сегнетоэлектрика.

В ходе исследования физических механизмов, лежащих в основе реакции на высокое напряжение, столешечные сканирующие электронные микроскопы серии ZEM компании «ZEPTOOLS» сыграли ключевую роль: благодаря их высокому разрешению исследователи смогли с высокой точностью проанализировать микроструктурные особенности излома керамических образцов. Наблюдения показали, что внутри керамики присутствует сложная доменная структура, включающая как макродомены, распределённые случайным образом, так и нанодомены; эта микроструктура при воздействии внешнего электрического поля демонстрирует хорошо управляемые свойства переключения. Точная характеристика, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа, подтвердила наличие внутри материала высоко подвижных доменных стенок, что предоставило прямые экспериментальные доказательства вклада обратимого движения доменных стенок в эффективность электромеханического преобразования.

С учётом сложных нагрузок, которым подвергаются актуаторы в условиях эксплуатации, исследователи системно оценили динамические закономерности эволюции керамических материалов при однаксиальном предварительном напряжении в диапазоне от 0 до 100 МПа. Было установлено, что в материале наблюдается выраженный переход от механизма, контролируемого электрическим полем, к механизму, управляемому механическим напряжением: в области низких предварительных напряжений — ниже 20 МПа — механическое напряжение, способствующее неклассическому повороту доменов на угол, отличный от 180°, существенно усиливает поляризацию и деформационный отклик. Однако по мере возрастания предварительного напряжения свыше 20 МПа начинает проявляться сильное защемление границ доменов, что затрудняет их движение; в результате напряжение вытесняет электрическое поле как ключевой внешний фактор, определяющий электромеханический отклик, что позволяет раскрыть различия в характеристиках выходного усилия актуатора при различных режимах нагрузки.

Для проверки надёжности керамики в системах точного позиционирования команда провела углублённое исследование плотности механической работы и её термической стабильности при взаимном влиянии температуры и напряжений. При предварительном сжатии 40 МПа материал достигает высокой плотности механической работы — 0,040 джоуля на кубический сантиметр, а эффективность электромеханического преобразования составляет 46,4%. Что ещё более важно, в ходе испытаний в широком диапазоне температур от 30 до 120 °C амплитуда колебаний выходной механической энергии оставалась не превышала 20%, что подтверждает способность механизма управления напряжениями эффективно смягчать флуктуации фазовых переходов, вызванные температурными воздействиями. Эти результаты обеспечивают важную теоретическую основу и данные для проектирования следующего поколения многослойных пьезоэлектрических приводов, обладающих высокой долговечностью и энергоэффективностью.

Сканирующий электронный микроскоп серии ZEM компании Цзэюй‑Технологии — это высокоинтегрированное, портативное и экономичное научно‑исследовательское оборудование. Оно обеспечивает быструю вакуумизацию, высокую скорость получения изображений и широкий выбор детекторов сигналов, подходит для наблюдения морфологии и анализа состава, а также может быть адаптировано к различным экспериментам in situ. Прибор предъявляет минимальные требования к условиям установки, не зависит от этажности здания, прост в эксплуатации — даже непрофессионалы быстро осваивают его. Благодаря этому он широко применяется в таких областях, как разработка новых материалов, биологические науки, анализ причин отказов и промышленный контроль качества, предоставляя научно‑исследовательским учреждениям и корпоративным пользователям мощное решение для микроскопической характеристики, сочетающее высокую производительность и выгодное соотношение цены и качества.