应力驱动下的铁电畴动态演变及其对驱动器性能的影响

作为高精度定位和力转换系统的核心组件，压电驱动器在航空航天、汽车工程及生物采样等精密制造领域发挥着不可替代的作用。随着压电产业规模的持续扩张，行业对驱动器在纳米级位移分辨率、毫秒级响应速度以及高功率密度等方面提出了严苛要求。目前铅基弛豫铁电体因其优秀的机电性能，特别是在微位移补偿中的关键地位，依然是该领域研究与应用的主流选择 。然而现有的高性能压电材料在实际服役过程中往往面临复杂的外部干扰，这成为制约设备长期稳定运行的瓶颈。

当前压电材料面临的主要挑战在于，性能高的软性弛豫铁电体极易受到机械载荷、交变电场及环境温度波动的影响。驱动器在实际输出机械功时，高应力负荷常导致驱动电压与应变之间呈现非线性关系，甚至诱发铁弹性畴转变，导致性能大幅衰减。此外如何在宽温域范围内平衡高压电系数与热稳定性，并降低因畴壁运动受限引发的能量损失，仍是学界待解决的难题。为了应对这些挑战，研究人员正通过稀土离子掺杂等手段引入局部结构异质性，以期在特殊环境下实现高可靠性、高能量效率的机电转换。

针对上述问题，由佛山仙湖实验室、武汉理工大学及香港城市大学等机构组成的研究团队利用泽攸科技的ZEM系列台式扫描电镜进行了系统研究，通过在PMN-PZ-PT弛豫铁电陶瓷中引入2.5%的铕元素掺杂，成功构筑了具有高移动性纳米畴的准同型相界结构，并揭示了应力主导的电机械行为转变机制，为开发兼具高输出功密度与特殊环境热稳定性的压电驱动器提供了关键的设计准则。

研究团队通过固相烧结法制备了铕掺杂的铅镁铌酸盐-锆钛酸铅三元系压电陶瓷，通过系统调节钛酸铅的含量，成功构筑了位于摩洛性相界附近的成分结构。实验结果表明，当钛酸铅含量为0.33时，材料展现出优异的机电性能，其压电电荷系数达到1030 pC/N，压电应变系数在低电场下高达1310 pm/V。这种性能的显著提升源于相界处多相共存诱导的极化旋转过程，以及铕离子掺杂导致的局部结构异质性，从而有效降低了铁电畴翻转的能量势垒。

图 2.5%铕掺杂 (0.85-x)PMN-xPT-0.15PZ 陶瓷的瑞利分析

在探索高压电响应物理起源的过程中，泽攸科技ZEM系列台式扫描电子显微镜发挥了关键作用，科研人员利用该设备高分辨率的成像能力，精确观察了陶瓷断口的微观形貌特征。观察发现陶瓷内部呈现出复杂的畴构型，包含随机分布的宏观畴与纳米畴，这种微观结构在外部电场刺激下表现出良好的受控翻转特性。扫描电镜的精准表征证明了材料内部高移动性畴壁的存在，这为解释可逆畴壁运动对机电转换效率的贡献提供了直接的实验依据。

图 2.5%铕掺杂0.52PMN-0.33PT-0.15PZ 陶瓷在 100 万次循环测试前后的断口表面扫描电镜图像

针对驱动器在实际服役中承受的复杂载荷，研究者系统评估了陶瓷在0至100 MPa单轴预应力下的动态演化规律。研究发现材料存在从电场控制机制向应力控制机制的显著转变，在20 MPa以下的低预应力区间，机械应力辅助的非180度畴翻转显著增强了极化和应变输出。然而随着预应力超过20 MPa，严重的畴壁钳制效应开始抑制畴运动，使得应力取代电场成为主导机电响应的关键外部因素，揭示了驱动器在不同载荷条件下的出力特性差异。

图 2.5% 铕掺杂 0.52PMN-0.33PT-0.15PZ 陶瓷的压响应力显微镜形貌图像

为了验证陶瓷在精密定位系统中的可靠性，团队深入研究了温度与应力耦合作用下的机械功密度及其热稳定性。该材料在40 MPa预应力下实现了每立方厘米0.040焦耳的高机械功密度，且机电转换效率达到46.4%。更为关键的是，在30至120摄氏度的宽温域测试中，其机械能量输出的波动幅度始终保持在20%以内，证明了应力控制机制能有效缓解温度诱发的相变波动。这一发现为设计具备高耐用性与能量效率的下一代多层压电驱动器提供了重要的理论支撑与数据参考。

图 2.5%铕掺杂 0.52PMN-0.33PT-0.15PZ 陶瓷的相关曲线图

泽攸科技ZEM系列扫描电镜是一款集成度高、便携性强且经济实用的科研设备。它具备快速抽真空、高成像速度、多样的信号探测器选择，适用于形貌观测和成分分析，还能适配多种原位实验需求。该设备对安装环境要求低，不挑楼层，操作简单，非专业人士也能快速上手，能够更广泛地应用于新材料研发、生命科学、失效分析、工业质检等多个领域，为广大科研院所和企业用户提供了一套兼具高性能与高性价比的强大微观表征解决方案。

图 泽攸科技ZEM系列扫描电镜

泽攸科技专注于扫描电子显微镜、原位测量系统、台阶仪、纳米位移台、光栅尺、探针台、电子束光刻机、二维材料转移台、超高真空组件及配件、压电物镜、等离子体化学气相沉积系统等精密设备的研究，满足国家在科学精密仪器领域的诸多空白。泽攸科技以自主知识产权的技术为核心，依托一支专业的研发与生产团队，经过二十多年的技术积累，在半导体加工设备和材料表征测量领域已属于国内头部。公司承担和参与了国家重点研发计划、国家重大科研装备研制项目等多个重量级科研项目，多次实现国内材料表征测量设备的“国产替代"，相关产品具有较好的国际声誉、产品检测数据被国际盛名期刊采纳。