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北京大學(xué)在壓電材料領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展！

2017-09-08 16:53:58 作者：本網(wǎng)整理來(lái)源：北京大學(xué) 分享至：

最近，北京大學(xué)工學(xué)院力學(xué)與工程科學(xué)系李法新課題組在壓電材料領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。他們提出了一種周期正交的極化方法，將目前最常用的PZT壓電陶瓷中的非線性疇變應(yīng)變變得可逆，實(shí)現(xiàn)了約0.6%的超大致動(dòng)應(yīng)變，是傳統(tǒng)PZT壓電陶瓷的4倍。該工作于2017年8月21日作為Featured Article發(fā)表于J Appl Phys，同時(shí)美國(guó)物理聯(lián)合會(huì)的科學(xué)之光欄目（AIP SCIlight）以“Novel poling method in piezoelectric ceramics opens the door to the next-generation large-strain actuators”為題目對(duì)該工作進(jìn)行了專門報(bào)道。

壓電陶瓷致動(dòng)器具有響應(yīng)速度快、位移精度高、控制方便（電控）、體積小等優(yōu)勢(shì)，一直在致動(dòng)器領(lǐng)域占據(jù)著主導(dǎo)地位。目前應(yīng)用的壓電致動(dòng)器主要由鋯鈦酸鉛（PZT）陶瓷制成。PZT壓電陶瓷在工業(yè)中已經(jīng)應(yīng)用了半個(gè)多世紀(jì)，它的性能可以通過(guò)改變化學(xué)組分在很大范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。然而，PZT陶瓷的最大致動(dòng)應(yīng)變只有0.1～0.15%，遠(yuǎn)低于形狀記憶合金的致動(dòng)應(yīng)變（～百分之幾），同時(shí)也低于近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的超磁致伸縮致動(dòng)器的致動(dòng)應(yīng)變（～0.2%）。

近年來(lái)學(xué)者們采用各種方法來(lái)提高壓電材料的致動(dòng)應(yīng)變，主要有三類途徑：1）發(fā)展弛豫型鐵電單晶（如PMN-PT、PZN-PT），通過(guò)電場(chǎng)誘導(dǎo)相變來(lái)提高其電致應(yīng)變；2）發(fā)展無(wú)鉛壓電陶瓷，同樣通過(guò)電場(chǎng)誘導(dǎo)的鐵電相變產(chǎn)生大應(yīng)變；3）通過(guò)可逆的鐵彈疇變來(lái)實(shí)現(xiàn)大的電致應(yīng)變。但這些方法或者由于穩(wěn)定性不好，或者電場(chǎng)和滯回太大，或者需要施加預(yù)應(yīng)力，不能真正在工業(yè)中得到應(yīng)用。

李法新課題組從形狀記憶合金（SMA）的雙程形狀記憶效應(yīng)的原理得到啟發(fā)，認(rèn)為壓電陶瓷中的可逆疇變應(yīng)該也可以由內(nèi)應(yīng)力來(lái)控制。然而，SMA中的熱-力訓(xùn)練過(guò)程無(wú)法應(yīng)用于脆性的壓電陶瓷。為此，他們巧妙地設(shè)計(jì)了周期正交極化的壓電陶瓷，利用不用極化區(qū)域之間的界面應(yīng)力來(lái)實(shí)現(xiàn)可逆的疇變，最大致動(dòng)應(yīng)變可達(dá)到約0.6%（2kV/mm，0.1Hz）。而且，這樣產(chǎn)生的大致動(dòng)應(yīng)變穩(wěn)定性也很好，經(jīng)過(guò)10,000次循環(huán)之后沒(méi)有衰減（甚至略微增大）。通過(guò)一種交叉排布的疊層設(shè)計(jì)，最大致動(dòng)應(yīng)變可以得到充分利用。這種周期正交極化的壓電陶瓷有望應(yīng)用于新型低頻大應(yīng)變的工業(yè)致動(dòng)器。