北京大学工学院在压电材料领域取得突破性进展

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工学院力学与工程科学系李法新课题组在压电材料领域取得突破性进展，他们提出了一种周期正交的极化方法，将目前最常用的PZT压电陶瓷中的非线性畴变应变变得可逆，实现了约0.6%的超大致动应变，是传统PZT压电陶瓷的4倍。该工作于2017年8月21日作为Featured Article发表于J Appl Phys（http://dx.doi.org/10.1063/1.4997940），同时美国物理联合会的科学之光栏目（AIP SCIlight）以"Novel  poling  method  in  piezoelectric  ceramics  opens the  door  to the next-generation large-strain actuators"为题目对该工作进行了专门报道( http://scitation.aip.org/content ... 9/10.1063/1.5000153 )。
　　压电陶瓷致动器具有响应速度快、位移精度高、控制方便（电控）、体积小等优势，一直在致动器领域占据着主导地位。目前应用的压电致动器主要由锆钛酸铅（PZT）陶瓷制成。PZT压电陶瓷在工业中已经应用了半个多世纪，它的性能可以通过改变化学组分在很大范围内进行调整。然而，PZT陶瓷的最大致动应变只有0.1～0.15%，远低于形状记忆合金的致动应变（～百分之几），同时也低于近年来发展起来的超磁致伸缩致动器的致动应变（～0.2%）。　

　　周期正交极化PZT压电陶瓷中的致动应变（0.1Hz）　

　　近年来学者们采用各种方法来提高压电材料的致动应变，主要有三类途径：1）发展弛豫型铁电单晶（如PMN－PT，PZN－PT），通过电场诱导相变来提高其电致应变；2）发展无铅压电陶瓷，同样通过电场诱导的铁电相变产生大应变；3）通过可逆的铁弹畴变来实现大的电致应变。但这些方法或者由于稳定性不好，或者电场和滞回太大，或者需要施加预应力，不能真正在工业中得到应用。
　　李法新课题组从形状记忆合金（SMA）的双程形状记忆效应的原理得到启发，认为压电陶瓷中的可逆畴变应该也可以由内应力来控制。然而，SMA中的热－力训练过程无法应用于脆性的压电陶瓷。为此，他们巧妙地设计了周期正交极化的压电陶瓷，利用不用极化区域之间的界面应力来实现可逆的畴变，最大致动应变可达到约0.6%（2kV/mm，0.1Hz）。而且，这样产生的大致动应变稳定性也很好，经过1000次循环之后没有衰减（甚至略微增大）。通过一种交叉排布的叠层设计，最大致动应变可以得到充分利用。这种周期正交极化的压电陶瓷有望应用于新型低频大应变的工业致动器。