High‐Performance Strain of Lead‐Free Relaxor‐Ferroelectric Piezoceramics by the Morphotropic Phase Boundary Modification

材料科学 相界 铁电性 相(物质) 压电 磁滞 陶瓷 相变 掺杂剂 复合材料 凝聚态物理 兴奋剂 电介质 光电子学 物理 有机化学 化学
作者
Tangyuan Li,Chang Liu,Peng Shi,Xiao Liu,Ruirui Kang,Changbai Long,Ming Wu,Shao‐Dong Cheng,Shao‐Bo Mi,Yuanhua Xia,Linglong Li,Dong Wang,Xiaojie Lou
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:32 (32) 被引量:80
标识
DOI:10.1002/adfm.202202307
摘要

Abstract Bismuth sodium titanate (BNT)‐based lead‐free piezoceramics are promising for replacing lead‐based piezoceramics in piezoelectric actuators due to their large strains. However, achieving low‐hysteresis large‐strain BNT‐based ceramics over a broad temperature range is challenging, owing to the complexity of the composition design and phase transformation. Herein, a lead‐free relaxor‐ferroelectric (1− x )Bi 0.47 Na 0.47 Ba 0.06 TiO 3 ‐ x K 0.47 Na 0.47 Li 0.06 Nb 0.99 Sb 0.01 O 2.99 system (BNBT‐KNLNS) near the morphotropic phase boundary (MPB), achieved by phase‐field simulations and rational composition design (i.e., BNBT with the MPB as the base and the ferroelectric phase of KNLNS as the dopant) is reported. This ceramic exhibits large strains (0.32–0.51%) and low strain hysteresis (11.1–59.9%) over a wide temperature range (25–125 °C), outperforming many state‐of‐the‐art lead‐free piezoceramics. A small fraction of ferroelectric states embedded in the relaxor matrix is experimentally observed, where these states act as seeds, facilitating the reversible relaxor‐to‐ferroelectric transition. In addition, the MPB composition with low energy barriers yields large strain responses, owing to the easy polarization reversal and extension. Consequently, low‐hysteresis large strains are obtained over a broad temperature range. This work provides a novel design route for discovering high‐performance piezoceramics for actuator applications.
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