Являясь ключевым компонентом систем высокоточного позиционирования и преобразования сил, пьезоэлектрические приводы играют незаменимую роль в таких областях точного производства, как аэрокосмическая отрасль, автомобилестроение и биологический отбор проб. По мере продолжающегося расширения мировой пьезоэлектрической индустрии к приводам предъявляются строгие требования: разрешение перемещений на уровне нанометров, скорость отклика в масштабе миллисекунд и высокая удельная мощность. В настоящее время свинцовые релаксорные сегнетоэлектрики по‑прежнему остаются основным направлением исследований и применения в этой сфере благодаря своим выдающимся электромеханическим свойствам, особенно важным для компенсации микроперемещений. Однако существующие высокопроизводительные пьезоэлектрические материалы во время эксплуатации часто подвергаются сложным внешним возмущениям, что стало узким местом, ограничивающим долговременную стабильную работу устройств.

Основная проблема, с которой в настоящее время сталкиваются пьезоэлектрические материалы, заключается в том, что мягкие релаксорные сегнетоэлектрики с оптимальными эксплуатационными характеристиками крайне чувствительны к механическим нагрузкам, переменным электрическим полям и колебаниям окружающей температуры. При выполнении актуаторами реальной механической работы высокие напряжённые нагрузки нередко приводят к нелинейной зависимости между управляющим напряжением и деформацией и даже могут вызывать переключение ферроэластических доменов, что существенно снижает эффективность работы. Кроме того, вопрос о том, как одновременно обеспечить высокий пьезоэлектрический коэффициент и термическую стабильность в широком диапазоне температур, сокращая при этом потери энергии, обусловленные ограничением движения границ доменов, остаётся нерешённой задачей в данной области. Для решения этих проблем исследователи внедряют локальную структурную неоднородность посредством таких методов, как легирование ионами редкоземельных элементов, стремясь добиться высокой надёжности и высокой энергоэффективности электромеханического преобразования в экстремальных условиях.

Для решения вышеуказанных задач исследовательская группа, в состав которой вошли Фошаньская лаборатория Сяньху, Уханьский технологический университет, Городской университет Гонконга и другие учреждения, провела систематические исследования с использованием настольного сканирующего электронного микроскопа серии ZEM компании ZEPTOOLS. Введя 2,5‑процентное легирование европием в релаксорные сегнетоэлектрические керамики PMN‑PZ‑PT, им удалось успешно сформировать структуру морфотропной фазовой границы с высоко подвижными нанодоменами и раскрыть механизм перехода электромеханического поведения, доминируемого напряжением, что обеспечило ключевые критерии проектирования пьезоэлектрических актуаторов, обладающих одновременно высокой плотностью выходной работы и исключительной термостабильностью в экстремальных условиях.

Название: Динамическое электромеханическое поведение керамики PMN‑PZ‑PT, легированной европием: преобладание напряжений и термическая стабильность для применения в актуаторах
Журнал: Акта Материаллиа
URL: doi.org/10.1016/j.actamat

Исследовательская группа получила трёхкомпонентные пьезоэлектрические керамики на основе свинцового магниевого ниобата — свинцового цирконат‑титаната, легированные европием, методом твёрдофазного спекания. Путём систематической корректировки содержания титаната свинца им удалось сформировать состав, близкий к морфотропной фазовой границе. Экспериментальные результаты показали, что при содержании титаната свинца 0,33 материал обладает исключительно высокими электромеханическими характеристиками: коэффициент пьезоэлектрического заряда составляет 1030 пКл/Н, а коэффициент пьезоэлектрической деформации достигает 1310 пм/В даже при низком электрическом поле. Такое значительное улучшение свойств обусловлено процессом поворота поляризации, возникающим вследствие многофазного существования на фазовой границе, а также локальной структурной неоднородностью, обусловленной легированием ионами европия, что эффективно снижает энергетический барьер для переключения сегнетоэлектрических доменов.

При исследовании физической природы высокого пьезоэлектрического отклика ключевую роль сыграл настольный сканирующий электронный микроскоп серии ZEM компании ZEPTOOLS. Исследователи воспользовались возможностью получения изображений с высоким разрешением, чтобы точно проанализировать микроструктурные особенности поверхности излома керамики. Наблюдения выявили сложную доменную структуру внутри материала, включающую случайно распределённые макродомены и нанодомены. Эта микроструктура демонстрирует хорошо контролируемые переключательные свойства при внешнем электрическом воздействии. Точная характеристика, полученная с помощью сканирующей электронной микроскопии, подтвердила наличие чрезвычайно подвижных границ доменов в материале, что явилось прямым экспериментальным доказательством вклада обратимого движения границ доменов в эффективность электромеханического преобразования.

Для учёта сложных нагрузок, действующих на актуаторы в реальных условиях эксплуатации, исследователи систематически изучили динамическое поведение керамики при однаксиальном предварительном напряжении в диапазоне от 0 до 100 МПа. В ходе исследования был выявлен существенный переход от механизма, управляемого электрическим полем, к механизму, контролируемому напряжением. В области низких предварительных напряжений, ниже 20 МПа, механически усиленное переключение доменов, не достигающее угла 180°, значительно повышало поляризацию и деформационный выход. Однако при предварительном напряжении свыше 20 МПа возникает сильный эффект защёлкивания стенок доменов, который затрудняет их движение, вследствие чего напряжение заменяет электрическое поле как ключевой внешний фактор, определяющий электромеханический отклик. Это позволяет выявить различия в характеристиках выходного сигнала актуаторов при различных режимах нагружения.

Для проверки надёжности керамики в системах прецизионного позиционирования команда провела углублённое исследование плотности механической работы и термической стабильности при совместном воздействии температуры и напряжений. Материал продемонстрировал высокую плотность механической работы — 0,040 Дж/см³ — при предварительном напряжении 40 МПа, а его электромеханическая эффективность составила 46,4%. Что ещё более важно, в испытаниях в широком диапазоне температур от 30 до 120 °C колебания выходной механической энергии оставались в пределах 20%, что свидетельствует о способности механизма, управляемого напряжением, эффективно смягчать флуктуации фазовых переходов, обусловленные температурными изменениями. Эти результаты обеспечивают важную теоретическую поддержку и служат исходными данными для проектирования многослойных пьезоэлектрических приводов следующего поколения, обладающих высокой долговечностью и энергоэффективностью.

Сканирующий электронный микроскоп серии ZEM компании ZEPTOOLS — это высокоинтегрированный, портативный и экономичный научно‑исследовательский прибор. Он отличается быстрым откачиванием, высокой скоростью получения изображений и широким выбором детекторов сигналов, что делает его подходящим для морфологического наблюдения и составного анализа, а также позволяет адаптироваться к различным экспериментальным условиям in situ. Прибор предъявляет низкие требования к условиям установки, не чувствителен к перепадам уровня пола и прост в эксплуатации, что позволяет быстро освоить его даже неспециалистам. Он может широко применяться в таких областях, как разработка новых материалов, биологические науки, анализ отказов, промышленная контрольная проверка и др., предоставляя исследовательским учреждениям и промышленным пользователям мощное и экономичное решение для высокопроизводительной микроскопической характеристики образцов.