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北京大學在壓電材料領域取得突破性進展！

2017-09-08 16:53:58 作者：本網整理來源：北京大學分享至：

最近，北京大學工學院力學與工程科學系李法新課題組在壓電材料領域取得突破性進展。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變變得可逆，實現了約0.6%的超大致動應變，是傳統PZT壓電陶瓷的4倍。該工作于2017年8月21日作為Featured Article發表于J Appl Phys，同時美國物理聯合會的科學之光欄目（AIP SCIlight）以“Novel poling method in piezoelectric ceramics opens the door to the next-generation large-strain actuators”為題目對該工作進行了專門報道。

壓電陶瓷致動器具有響應速度快、位移精度高、控制方便（電控）、體積小等優勢，一直在致動器領域占據著主導地位。目前應用的壓電致動器主要由鋯鈦酸鉛（PZT）陶瓷制成。PZT壓電陶瓷在工業中已經應用了半個多世紀，它的性能可以通過改變化學組分在很大范圍內進行調整。然而，PZT陶瓷的最大致動應變只有0.1～0.15%，遠低于形狀記憶合金的致動應變（～百分之幾），同時也低于近年來發展起來的超磁致伸縮致動器的致動應變（～0.2%）。

近年來學者們采用各種方法來提高壓電材料的致動應變，主要有三類途徑：1）發展弛豫型鐵電單晶（如PMN-PT、PZN-PT），通過電場誘導相變來提高其電致應變；2）發展無鉛壓電陶瓷，同樣通過電場誘導的鐵電相變產生大應變；3）通過可逆的鐵彈疇變來實現大的電致應變。但這些方法或者由于穩定性不好，或者電場和滯回太大，或者需要施加預應力，不能真正在工業中得到應用。

李法新課題組從形狀記憶合金（SMA）的雙程形狀記憶效應的原理得到啟發，認為壓電陶瓷中的可逆疇變應該也可以由內應力來控制。然而，SMA中的熱-力訓練過程無法應用于脆性的壓電陶瓷。為此，他們巧妙地設計了周期正交極化的壓電陶瓷，利用不用極化區域之間的界面應力來實現可逆的疇變，最大致動應變可達到約0.6%（2kV/mm，0.1Hz）。而且，這樣產生的大致動應變穩定性也很好，經過10,000次循環之后沒有衰減（甚至略微增大）。通過一種交叉排布的疊層設計，最大致動應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用于新型低頻大應變的工業致動器。