Прорыв в бессвинцовых пьезокерамических актуаторах: Высокая производительность через дефект-инжиниринг

Ведущая Государственная лаборатория металлических композитов (The State Key Laboratory of Metal Matrix Composites, SKLMMC) при Школе материаловедения и инженерии Шанхайского университета Цзяо Тун совершила прорыв в разработке бессвинцовых пьезоэлектрических актуаторов. Команда под руководством профессора Го Ипин (Guo Yiping) создала новый многослойный актуатор на основе ниобата калия-натрия (KNN), легированного стронцием. Технология совместного спекания с электродами Ag/Pd позволила превзойти по производительности традиционные свинцовые аналоги, решая проблему токсичности.

1. Преодоление ограничений бессвинцовой технологии

Традиционные пьезокерамические системы (PZT) содержат более 60% свинца, что создает экологические риски. Ранее бессвинцовые аналоги уступали в мощности и температурной стабильности.

Инновация ученых — в методе дефект-инжиниринга. Кислородные вакансии, созданные легированием стронцием (химическая формула: (K0.5Na0.5)0.96Sr0.04NbO3, KNSN), обеспечили рекордный пьезоэлектрический коэффициент (d33*) 900 pm/V — на 52% выше, чем у PZT-5H.

2. Конструкция и производство

Технология ленточного литья позволила создать актуаторы с 20 активными слоями толщиной 50 мкм — на 33% тоньше коммерческих PZT-актуаторов.

2.1. Ключевые производственные преимущества

• Низкотемпературное спекание (880°C) с электродами Ag/Pd
• Градиентный профиль спекания для снижения межслойного напряжения
• Защитный Nb-слой для предотвращения диффузии Pd

3. Преимущества производительности

Актуаторы KNSN демонстрируют превосходные характеристики:

• Электрические свойства: Линейность деформации R²=0.9957, потери на гистерезис <8%
• Термостабильность: Изменение смещения 7.6% (от 20°C до 100°C)
• Механическая прочность: Прочность на изгиб 137 МПа
• Эффективность: Улучшенная энергоэффективность на 22%

4. Применение в прецизионных системах

Тестирование в системе быстрого наведения зеркала для лазерной связи подтвердило:

• Угловую чувствительность 0.78 мкрад/В
• Ошибку гистерезиса <0.15%
• Увеличение скорости отклика на 56%

5. Технические характеристики и сравнение

Наши актуаторы готовы к работе в самых требовательных отраслях.

Параметр	KNN MLA (HE-SHUAI)	PZT-5H MLA	Улучшение
Пьезоэлектрический коэффициент (d33*)	900 pm/V	590 pm/V	+52%
Рабочее напряжение	100 V	150 V	-33%
Гистерезис	< 8%	15-20%	> 2x
Срок службы	> 10⁷ циклов	10⁶ циклов	10x
Температурная стабильность	7.6% (до 100°C)	~15%	2x

6. Перспективы применения и рынка

Технология перспективна для:

• Аэрокосмической отрасли
• Биомедицины
• Потребительской электроники
• Прецизионного производства

Прогнозируется, что коммерческие прототипы появятся на рынке в течение 3-5 лет и смогут занять 30-40% мирового рынка пьезоктуаторов, который, по прогнозам, достигнет $38,7 млрд к 2028 году.