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无铅钙钛矿陶瓷的电致伸缩效应

硅酸盐学报 2022年第3期50卷 575-586页

作者：黄艳莉赵纯林吴家刚四川大学材料科学与工程学院成都611065 福州大学材料科学与工程学院福州350108

基于电致伸缩效应的微位移驱动器,具有精度高、灵敏度高和滞后小等优点,易于实现亚微米级的微量位移,在精密定位和加工技术中得到了广泛的应用。电致伸缩效应是指电介质在电场作用下,产生的应变正比于电场强度(或极化强度)的平方的现象... 详细信息

基于电致伸缩效应的微位移驱动器,具有精度高、灵敏度高和滞后小等优点,易于实现亚微米级的微量位移,在精密定位和加工技术中得到了广泛的应用。电致伸缩效应是指电介质在电场作用下,产生的应变正比于电场强度(或极化强度)的平方的现象,在压电、铁电材料的机-电转换过程中起到了至关重要的作用。随着人们对环境可持续发展的重视,无铅钙钛矿陶瓷的电致伸缩效应得到了研究者们的关注。首先综述了国内外电致伸缩效应的发展进程,并提出了获得低滞后、大电致伸缩应变材料的设计思路,总结了几类无铅电致伸缩陶瓷的最新研究进展,并指出其各自优势及存在的不足。其次,讨论了钙钛矿结构陶瓷的电致伸缩效应与压电效应、电卡效应之间的关系,为增强压电、铁电陶瓷的压电和电卡性能提供了新的契机。最后,根据存在的问题和面临的挑战提出展望,以期推动电致伸缩陶瓷及其器件的发展和实用化进程。

关键词：无铅钙钛矿陶瓷电致伸缩效应电致应变低滞后

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先进铁电压电陶瓷材料

硅酸盐学报 2022年第3期50卷 555-555页

作者：吴家刚王轲李飞四川大学材料科学与工程学院成都610065 清华大学材料学院北京100084 西安交通大学电子科学与工程学院西安710049

先进功能陶瓷是包括具有声、光、电、力、热、磁等不同性能及其交叉偶合效应的压电、磁电、热电、光电等能量互换的功能材料,主要包括铁电压电陶瓷、微波介质陶瓷、半导体敏感陶瓷、磁性陶瓷等。因此,先进功能陶瓷材料当前已被广泛应用... 详细信息

先进功能陶瓷是包括具有声、光、电、力、热、磁等不同性能及其交叉偶合效应的压电、磁电、热电、光电等能量互换的功能材料,主要包括铁电压电陶瓷、微波介质陶瓷、半导体敏感陶瓷、磁性陶瓷等。因此,先进功能陶瓷材料当前已被广泛应用于电子信息、航空航天、生物医疗、储能等领域。

关键词：先进陶瓷铁电压电

多维协同效应诱导的高压电性及可靠性的KNN压电陶瓷应用于高频超声换能器

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Science China Materials 2023年第2期66卷 686-695页

作者：李睿琛曾禹舜孙茜茜李崇阳李润泽郑婷蒋来明吴家刚 Department of Materials Science Sichuan UniversityChengdu 610064China Department of Biomedical Engineering Viterbi School of EngineeringUniversity of Southern CaliforniaLos AngelesCA 90089USA

高频超声换能器已成为现代医学诊断和治疗的有力工具.目前,大多数超声换能器使用压电陶瓷进行机电耦合,在高频(>20 MHz)下会发生周期性的电声转换,因此对材料可靠性要求较高.本文提出了一种结构调控策略,以提高铌酸钾钠(KNN)基无铅陶瓷... 详细信息

高频超声换能器已成为现代医学诊断和治疗的有力工具.目前,大多数超声换能器使用压电陶瓷进行机电耦合,在高频(>20 MHz)下会发生周期性的电声转换,因此对材料可靠性要求较高.本文提出了一种结构调控策略,以提高铌酸钾钠(KNN)基无铅陶瓷的压电性与可靠性,并用于高频超声成像.该KNN基陶瓷具有增强的压电性(d33~550±20 pC N^(-1))及抗疲劳特性,同时针对其良好性能,我们从涉及宏观到微观的多项共存、完好微观结构与灵活畴翻转的多维度协同效应阐述其机理.该多维度协同效应抑制了疲劳过程中性能恶化裂纹的出现及空间电荷的聚集,从而减少了畴壁的钉扎,增强了抗疲劳性.此外,基于该高性能压电陶瓷制备的超声换能器具有高可靠性及温度稳定性(从室温到80℃,频带宽度几乎不变).我们利用该超声换能器扫描罗非鱼眼球结构测试了器件成像效果.相信通过结构策略实现性能提升的新方法可以促进KNN基超声器件在生物医学方面的应用.

关键词： KNN 超声换能器压电陶瓷抗疲劳特性频带宽度抗疲劳性压电性机电耦合

(K,Na)NbO_(3)基无铅压电陶瓷温度稳定性的研究与进展

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西南民族大学学报:自然科学版 2023年第5期49卷 550-555页

作者：吕想吴家刚四川大学材料科学与工程学院四川成都610065

基于可持续发展的迫切需求,环保型无铅压电陶瓷成为当前压电铁电领域的研究前沿和热点之一.近年来,铌酸钾钠((K,Na)NbO_(3),KNN)基无铅压电陶瓷因其迅速提升的压电性能,备受研究者所关注,有望取代部分铅基压电陶瓷.特别是新型相界、纳... 详细信息

基于可持续发展的迫切需求,环保型无铅压电陶瓷成为当前压电铁电领域的研究前沿和热点之一.近年来,铌酸钾钠((K,Na)NbO_(3),KNN)基无铅压电陶瓷因其迅速提升的压电性能,备受研究者所关注,有望取代部分铅基压电陶瓷.特别是新型相界、纳米畴等调控手段有效提升KNN基陶瓷压电系数至部分铅基水平,使其表现出优异的应用前景,有望应用于加速度传感等器件.然而相比迅速发展的压电性能,KNN陶瓷的压电温度稳定性仍相对进展缓慢,主要归结于其多晶型相界的特征,阻碍其面向实际应用发展.因此,该文结合国内外研究进展,针对KNN基无铅压电陶瓷,重点介绍了其压电系数和电致应变的温度稳定性的研究进展,并对今后该陶瓷温度稳定性的研究提出了一些展望.

关键词：无机非金属材料无铅陶瓷 (K,Na)NbO_(3) 温度稳定性

工科专业课程思政建设探索——以材料分析技术为例

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吉林教育 2023年第2期 94-96页

作者：曾广根吴家刚黎兵四川大学材料科学与工程学院

本文结合所承担的省级课程思政示范课程建设，立足所在学校及专业的办学定位与人才培养的要求，瞄准“材料分析技术”课程思政建设方向、运行重点及育人目标，探索了课程思政建设的总体设计与规划；立足材料分析技术专业课程特色和院校... 详细信息

本文结合所承担的省级课程思政示范课程建设，立足所在学校及专业的办学定位与人才培养的要求，瞄准“材料分析技术”课程思政建设方向、运行重点及育人目标，探索了课程思政建设的总体设计与规划；立足材料分析技术专业课程特色和院校两级教学科研育人平台，深入挖掘思政教育的要素及课程运行的资源，以理论为基础，实践为手段，优选专业课程主体测试分析技术内容，改进课堂内外与理论和实践结合的教学方法，将课程建设目标融入教学全过程。在此基础上，优化课程动态全过程的考核评价方法机制，探索工科专业课程思政建设的新模式与方法路径。

关键词：课程思政实践教育材料分析技术

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铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的发展与展望

四川师范大学学报（自然科学版） 2019年第2期42卷 143-153页

作者：吴家刚四川大学材料科学与工程学院四川成都610065

压电陶瓷材料作为一类重要的高技术新材料,对我国国民经济和国防建设具有重大战略意义.目前市场上大量使用的是以锆钛酸铅(PZT)为主的有铅压电陶瓷,该类陶瓷虽然电学性能优异、廉价易制取、可实现大规模工业化生产,但其中含有大量的Pb元... 详细信息

压电陶瓷材料作为一类重要的高技术新材料,对我国国民经济和国防建设具有重大战略意义.目前市场上大量使用的是以锆钛酸铅(PZT)为主的有铅压电陶瓷,该类陶瓷虽然电学性能优异、廉价易制取、可实现大规模工业化生产,但其中含有大量的Pb元素,会对人体健康和生态环境造成极大危害.随着可持续发展战略的提出和人们对生态环境保护的日益关注,可见PZT陶瓷已经不符合环境友好的需求,能否找到一种电学性能和PZT陶瓷相媲美甚至更优异的无铅压电陶瓷材料,成为了各国学者争相研究的热点问题.我国肖定全教授早在1998年就提出"环境协调性铁电压电陶瓷"的概念.在各级项目的大力资助下,取得许多非常重要的进展,使得我国科学工作者在国际无铅压电材料研究领域占有重要地位.结合作者自己的科研工作,重点阐述铌酸钾钠基无铅压电陶瓷的相界设计,并提出一类新型相界设计新思路,极大提升该类陶瓷的压电性能.结合自己近年的相关工作和国内外研究进展,就其发展现状进行客观的分析,并对其面临的机遇与挑战提出一些自己的看法.

关键词：无铅压电陶瓷铌酸钾钠相界设计性能调控稳定性

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高性能铌酸钾钠基无铅陶瓷的压电和电卡性能

物理学报 2020年第21期69卷 250-258页

作者：魏晓薇陶红赵纯林吴家刚四川大学材料科学与工程学院成都610065

压电陶瓷作为一种能够实现机械能和电能相互转换的功能材料,在民用和军事方面都有着广泛应用.随着人们环保及健康意识的提高,高性能兼具环境协调性的无铅压电陶瓷的研究成为了一项紧迫任务.在众多无铅材料中,(K, Na)NbO3(KNN)基陶瓷因... 详细信息

压电陶瓷作为一种能够实现机械能和电能相互转换的功能材料,在民用和军事方面都有着广泛应用.随着人们环保及健康意识的提高,高性能兼具环境协调性的无铅压电陶瓷的研究成为了一项紧迫任务.在众多无铅材料中,(K, Na)NbO3(KNN)基陶瓷因其优异的综合性能而受到关注,但是利用相界同时调控高压电和电卡性能的研究偏少.本文采用传统固相方法制备了0.944K0.48Na0.52Nb0.95Sb0.05O3-0.04Bi0.5(Na0.82K0.18)0.5ZrO3-1.6%(AgxNa1–x)SbO3-0.4%Fe2O3(x=0-1.0)无铅压电陶瓷,重点研究了AgSbO3/NaSbO3对陶瓷相结构、压电和电卡性能的影响.研究结果表明:陶瓷在研究组分范围内均为"三方-正交-四方"三相共存;随着AgSbO3含量的增加,该陶瓷的压电及铁电性能均有所波动(d33=518-563pC/N, kp=0.45-0.56, Pmax=21-23μC/cm2和Pr=14-17μC/cm2).同时,利用间接法表征了该陶瓷的电卡效应,在居里温度附近得到了较高的电卡温变值(>0.6 K).因此,在KNN基陶瓷中通过相界构建能够同时实现高压电和良好的电卡性能.

关键词：铌酸钾钠相界压电效应电卡效应

(Pb,La)TiO_3铁电薄膜的太赫兹时域光谱实验研究

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光谱学与光谱分析 2009年第9期29卷 2342-2345页

作者：张婷婷张雅鑫吴家刚刘頔威何洲刘盛纲电子科技大学物理电子学院四川成都610054 四川大学材料科学学院四川成都610064

利用THz时域光谱技术（THz-TDS）探测了制作在SiO2／Si衬底上的（Pb，La）TiO3铁电薄膜的频谱响应，获得了三种不同烧结温度的掺镧钛酸铅（PLT）薄膜的THz频谱。根据实验数据计算得到了PLT薄膜在0．2～3THz频段内的吸收系数、折射率和... 详细信息

利用THz时域光谱技术（THz-TDS）探测了制作在SiO2／Si衬底上的（Pb，La）TiO3铁电薄膜的频谱响应，获得了三种不同烧结温度的掺镧钛酸铅（PLT）薄膜的THz频谱。根据实验数据计算得到了PLT薄膜在0．2～3THz频段内的吸收系数、折射率和复介电常数，并对比了三种不同烧结温度的PLT薄膜的实验计算结果。实验结果表明，三种PLT薄膜在所测频段内均有较强吸收，且都在1．5THz处有一个明显的吸收峰，在2．25THz处有一个相对较弱的吸收峰。

关键词：太赫兹时域光谱 PLT薄膜烧结温度吸收谱折射率介电常数

带惯性轮的两轮机器人H_(∞)鲁棒控制系统

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组合机床与自动化加工技术 2023年第4期 58-62页

作者：胡阳城黄卫华陈昊杨继荣吴家刚武汉科技大学机器人与智能系统研究院武汉430081

针对复杂环境中两轮机器人的实用性和平衡控制问题,构建了一种带惯性轮的两轮机器人H_(∞)鲁棒控制系统。首先,介绍了两轮机器人的机械结构及性能,通过惯性轮和底部双轮共同作用增强机体的运动能力,提升机器人对环境的适应性;其次,推导... 详细信息

针对复杂环境中两轮机器人的实用性和平衡控制问题,构建了一种带惯性轮的两轮机器人H_(∞)鲁棒控制系统。首先,介绍了两轮机器人的机械结构及性能,通过惯性轮和底部双轮共同作用增强机体的运动能力,提升机器人对环境的适应性;其次,推导了坡面上带惯性轮的两轮机器人动力学模型;在此基础上,设计了一种基于H_(∞)鲁棒控制器的两轮机器人系统,实现了机器人姿态控制的自平衡稳定性、鲁棒性以及抗扰性;最后,仿真和实测实验验证了所设计机器人系统的可行性和有效性:机器人系统的倾斜角度可调范围更大、控制精度更高,可有效抑制由于机体振动和外界干扰对系统的影响。

关键词：两轮机器人惯性轮 H_(∞)鲁棒控制动力学建模