北京大学工学院材料科学与工程系董蜀湘

chandler

董蜀湘，博士，北京大学工学院博士。于2008年5月从美国Virginia Tech大学回国加入北京大学工学院材料科学与工程系，受聘为特聘研究员、教授、北京大学终身教授，同时兼任美国Virginia Tech大学兼职教授。董蜀湘于1993年6月获清华大学材料科学博士学位；之后，留校工作，历任清华大学材料系讲师、副教授； 1997-1999年，董蜀湘访问新加坡国立大学；2000年至2008，董蜀湘先后受聘为美国宾州大学、美国弗吉尼亚理工大学任副研究员、研究科学家。
       董蜀湘长期从事压电、铁电、磁电功能材料与器件方面的研究，在理论和器件研究方面都颇有建树，如在磁电功能材料的理论研究方面，创立了“磁－弹－电”耦合的等效电路方法，这也是目前国际上公认的三种比较成功的理论方法之一；在压电微马达方面，最早发明了世界上最小的压电微马达，研发出低温驱动器、高温压电马达与高温驱动器，以及研发出具有微纳米分辨率的系列直线压电马达；部分成果已在厦门实现了产业化；在磁电复合材料研究领域，发现了最强的磁－电耦合复合材料、发现磁电复合材料的超高磁场灵敏度、发现磁电材料的电压增益效应和电流－电压转换效应；在压电换能器方面，发现谐振声场扰动的目标定位方法、声谐振腔的氢气检测方法等。在重要国际SCI收录刊物上共发表文章130余篇（其中在Applied Physics Letters发表了40余篇）。文章SCI总引用次数5000余次；拥有30余项授权美国和中国发明专利。董蜀湘还在多个重要国际、国内会议上和多所国内外大学做特邀报告40余次，也是多个国际刊物的审稿人。


董蜀湘，博士、教授
北京大学工学院材料科学与工程系教授;
美国弗吉尼亚理工大学兼职教授
联系电话：010-62765994
电子邮箱：sxdong@pku.edu.cn
个人主页：http://www2.coe.pku.edu.cn/subpaget.asp?id=201


研究领域：
涉及铁电、铁磁材料，器件和理论，包括： （1）磁电复合材料、磁电器件和磁－弹－电耦合理论；（2） 压电微马达、空间（低温）超声马达与驱动器，（3）磁传感器，电流传感器，氢气传感器，速度传感器，和压电传感器，(4) 压电变压器，（5）声换能器，（6）微泵和微阀。

教育经历：
1982年获武汉大学半导体物理学士学位
1989年获清华大学固体物理理学硕士学位
1993年获清华大学材料科学与工程工学博士学位

研究背景：
理论方面
1．在磁电叠层复合材料理论研究中，创立磁场－弹－电场耦合等效电路方法和理论模型，侧重于磁场－电场的动态，特别是谐振耦合。是目前磁电复合材料中主要三种理论方法之一. 推导出考虑尺寸效应的磁电耦合系数表达式；
2．提出谐振声场扰动机理用于目标定位; 提出剪切-弯变模式的压电行波激发和驱动方法；建立压电/金属复合板的平面压电方程，发展出最简洁的解析公式用于压电园板位移－负载关系的精确计算。


实验方面：
A．压电器件
1.  世界上最小的压电微马达
该成果获美国宾州大学材料进步一等奖（First Place Prize in Material Advances in MRL, The Pennsylvania State University on Dec., 2000）; 论文发表在“IEEE Trans. On Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control,Vol.50, No.4, 2003”。
2.  发展了极低温（空间）线性和旋转型压电单晶超声步进电机
该成果发表在Applied Physics Letters, Vol.86, no.5, pp053501, 2005; Vol.92, no.15, pp153504, 2008。
3．发现谐振声场扰动方法及机理可用于目标声学定位;
该成果发表在 (i) Applied Physics Letters, Vol.82, no.23, pp4181, 2003; (ii) Review of Scientific Instruments, vol.74, no.23, pp4863, 2003
4． 提出压电声谐振腔和智能皮肤方法用于氢气泄漏的主动式监测；
该成果发表在 (i) Applied Physics Letters, Vol.82, no.25, pp4590, 2003; (ii) IEEE Trans. On Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, Vol.50, No.9, pp1105, 2003；(iii) Applied Physics Letters, Vol.84, no.21, pp4153, 2004。 该传感器成功的用于美国能源部氦气和氩气等气体快速在线监测；
5．提出压电剪切模式的超声行波激发方法用于压电马达的驱动
该成果发表在IEEE Trans. On Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, Vol.51, No.10, pp1240, 2004.
7.  提出环形大位移压电致动器的概念（ piezoelectric ring-morph actuator）；
该成果优于美国宾州大学近年发展的“Cymbal” or “Mooni”概念。该成果发表在 (i) Journal of Intelligent Material Systems and Structures, Vol12, No.9, 2001, (ii) Journal of Electroceramics, vol.8, no.2, pp155, 2002.
8．提出和发展了一种压电效应－电流变效应结合的步进马达
该成果发表在IEEE on Component Packaging, and Manufacturing Technology, Part A, Vol.18, No.2, 1995。
9.  空间用压电变压器优化理论研究;
10.  用于光学镜头自动调焦的毫米量级微马达;
11. 智能可调控电感等电子器件。

B. 磁电材料和器件
1. 发现磁、压电复合材料具有超高的磁场灵敏度（~10-12 Tesla）；
该成果发表在Applied Physics Letters, Vol. 83, no.11, pp2265, 2003. 该成果 被其它文章多次 介绍和引用。
2. 发现最强的磁电复合材料和耦合效应
该成果最近发表在Applied Physics Letters, Vol. 89, no.25, pp252904, 2006. 该成果是近年来在磁电复合材料的一个重要突破。
3. 发现磁、压电复合材料（Terfenol-D/PZT）具有超高的电压增益效应
该成果发表在 Applied Physics Letters, Vol. 85, no.14, 2004;
4. 发现磁电复合材料的gyration效应
该成果发表在Applied Physics Letters, Vol. 89, no.24, 2006。

二、发表文章和专利
在国际国内重要刊物上发表文章100余篇，SCI文章90余篇，其中Applied Physics Letters 30 篇，20篇为第一作者；SCI引用次数2700余次。拥有授权美国发明专利4项，中国发明专利19项。

代表性论文：
Shuxiang Dong, and Junyi Zhai, “Equivalent circuit approach in magnetoelectric laminated composites” (invited paper for multiferroics special issue), Chinese Science Bulletin, v53,no4，p2113， 2008.
Shuxiang Dong, Jie-Fang Li, and D. Viehland, “Ultrahigh Magnetic Field Sensitivity in Laminate of TERFENOL-D and Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3 Crystals”, Applied Physics Letters, Vol.83, no.11, p2265, 2003
Shuxiang Dong , Li Yan, Dwight Viehland et al, “A piezoelectric single crystal traveling wave step motor for low-temperature applications”, Applied Physics Letters, v.92, 2008.
Shuxiang Dong, Junyi Zhai, Zengping Xing, Jie-Fang Li, D. Viehland, “Giant magnetoelectric effect (under a dc magnetic bias of 2 Oe) in laminate composites of FeBSiC alloy ribbons and Pb(Zn-1/3,Nb-2/3)O-3-7%PbTiO3 fibers”,Applied Physics Letters, v.91, no.2, July, 2007.
Shuxiang Dong, Junyi Zhai, Jie-Fang Li, D. Viehland, “Strong magnetoelectric charge coupling in stress-biased multilayer piezoelectric/magnetostrictive composites”, Journal of Applied Physics, v.101, no.12, Jun.15, 2007.
Shuxiang Dong, Kenji Uchino  and Longtu Li, D. Viehland, “Analytical Solutions for the Transverse Deflection of a Piezoelectric Axi-symmetric Unimorph Actuator”, IEEE Trans. On Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, Vol.54, no.6, p1240, June, 2007.
Shuxiang Dong, Junyi Zhai, Jie-Fang Li, D. Viehland, “Near-perfect  magnetoelectricity in high-permeability magnetostrictive/piezoelectric-fiber laminates”, Applied Physics Letters, v.89, 252904, 2006.
Shuxiang Dong, Junyi Zhai, Jie-Fang Li, D. Viehland, M.I. Bichurin, “Magnetoelectric gyration effect in Tb1-xDyxFe2-y/Pb(Zr,Ti)O3 laminated composites at the electromechanical resonance”, Applied Physics Letters,v.89, 243512, 2006.
Shuxiang Dong, Junyi Zhai, Jie-Fang Li, D. Viehland, “Magneto-electric effect in Terfenol-D/PZT/mu-metal composite”, Applied Physics Letters, 89, 122903 (2006).
Shuxiang Dong, Jie-Fang Li, and D. Viehland, “Small dc magnetic field response of Terfenol-D/PZT laminate”, Applied Physics Letters, vol. 88, 082907, 2006

chandler

工学院董蜀湘课题组在磁电复合材料领域取得重要突破

           自1961年磁电耦合效应首次在Cr2O3单晶中被发现，磁电复合材料经历了从单相体系发展到两相颗粒复合再到层状多相复合过程。近二十年来，基于（1-3）型，（2-1）型，（2-2）型的磁电复合材料获得了广泛研究，但如何进一步提高磁电耦合效应似乎遇到了瓶颈。北京大学工学院董蜀湘课题组近日在磁电复合材料研究方面取得重要突破，设计制备了铁基非晶纤维与压电单晶纤维的复合结构，发现利用激光热处理可以产生纳米晶化、降低磁损耗的效应，以及设计（1-1）型一维磁电复合结构可产生磁通聚集增强效应，最终使研制的磁电复合材料的谐振磁电耦合系数提高了7倍。基于这一强的磁电耦合，进一步发现这种磁电复合材料在谐振条件可探测到1.35×〖10〗^(-13) Tesla的微弱交流磁场。该成果于2017年3月4日在线发表在材料领域顶尖学术期刊《先进材料》（Advanced Materials，IF=18.9）上。（原文链接：http://dx.doi.org/10.1002/adma.201606022）

（1-1）型磁电复合材料结构、样品，与磁电耦合示意图

          董蜀湘课题组长期以来一直致力于压电、磁电复合材料、磁电传感器方面的研究。提出了磁-弹-电耦合等效电路模型，发现了磁电gyration效应，研究报道了第一个铁基非晶/压电纤维磁电复合材料。其定义的multi-push-pull mode和L-T mode磁电耦合工作模式，在磁电复合材料领域获得了广泛认可和采用。在国际上，磁电复合材料也是研究热点之一。它的强磁电耦合能力，以及高灵敏度磁感应特性，有望在地磁测量、水下磁探测、生物医学、无损检测等方面发挥重要作用。
          该成果共同第一作者为工学院材料系15级博士生储昭强与11级博士生石花朵。研究获得了国家自然科学基金委(51132001, 51072003)、北京市科委(Z131100003213020, Z151100003715003)相关项目的支持。

btshuzhi

压电材料具有将机械力转换为电荷的出色能力，反之亦然。压电陶瓷如锆钛酸铅，铌镁酸铅-钛酸铅等已被广泛应用于传感器、致动器、换能器和能量采集器。然而，陶瓷材料本身是脆性的。对于传统陶瓷材料而言，机械柔韧性和压电性是两个相互矛盾的属性，提高一种性能通常会损害另一种性能。例如锆钛酸铅基陶瓷具有较高的压电性能，但由于其固有的脆性，锆钛酸铅基陶瓷不适合直接集成到柔性电子器件中。为了拓宽压电材料在柔性感知等领域的应用，需要开发出兼具机械柔韧性和对环境机械振动或外界刺激做出响应的柔性压电陶瓷复合材料。

      最近，北京大学工学院董蜀湘课题组，利用3D打印技术，成功制备了一种具有高机电耦合和压力敏感的聚合物基柔性压电陶瓷复合材料，可以实现任意网格形状的设计制备。实验结果表明，通过该方法打印设计的压电复合材料具有设计灵活性和机械柔韧性的特点，3D打印的压电复合材料可以拉伸至超过3倍于材料本身的长度而不断裂；被压缩到最大80%的应变后，去除外部载荷后仍可以迅速恢复到其初始形状。通过将压电陶瓷与银纳米颗粒相结合设计成压电半导体异质结结构，极化后的压电复合材料的压电电压系数也得到了显著提升，可以达到400×10-3 V m N-1。进一步研究发现，极化后的3D打印压电复合材料对手指轻微敲击都有很高的感应灵敏度，并且对自由掉落物体的冲击具有较大的电压响应；通过机电耦合作用，可以有效地将输入的机械能转换为电能，并且无需使用任何电荷存储单元即可点亮20个商用红色LED灯。这项研究成果有望在未来的柔性可穿戴电子设备，机器人柔性感知和生物信号识别等，以及机械能量回收方面具有重要应用潜力。该成果目前在线发表于国际重要期刊《纳米能源》（Nano Energy）。论文题目为：3D-printed flexible, Ag-coated PNN-PZT ceramic-polymer grid-composite for electromechanical energy conversion（DOI:  10.1016/j.nanoen.2020.104737）。原文链接：https://www.sciencedirect.com/sc ... 2949?via=ihub#bib30。
       该论文的第一作者是北京大学工学院材料工程与科学系2018级博士生王泽环，董蜀湘教授是论文通讯作者。合作者还包括南方科技大学汪宏教授、济南大学青年教师郇宇。这项研究获得国家自然科学基金委（51772005，51132001）资助、磁电功能材料与器件北京市重点实验室的支持。

danjuan

超高精密定位与微纳操作、驱动技术在国家战略产业发展和尖端科学研究中占据有极其重要的地位，广泛应用于航天工程、半导体微电子加工、生物医学、光通信等领域。而压电马达因其具有的分辨率高、无电磁干扰、行程长、速度快、噪声低、断电自锁等优势，在众多的驱动执行器件中脱颖而出。但是，对于绝大多数压电马达来说，高速运动能力和高步进分辨率都是难以兼顾的，如非谐振式压电马达适合应用于对步进分辨率要求高的场景，但运动速度十分缓慢；谐振式压电马达具有更高的运动速度和驱动能力，但步进分辨率较低。随着高精密技术的进一步发展，为满足工业领域和科学研究的多样化需求，实现微型化压电马达在高输出力、宽运动速度范围、高步进分辨率上的兼顾是一项重要的挑战。
       近日，北京大学材料科学与工程学院董蜀湘教授课题组受到脚踏自行车运动机理的启发，提出了一种工作于第二阶弯曲（B2）单振动模态、具有纳米分辨率和高功率密度特征的新型微型直线压电马达（LPUM）。结合B2模态反对称振型特性，在振型的位移振幅最大的两个部位设计一对左、右摩擦耦合驱动头，分别产生具有180°相位差、但具有同向运动轨迹的椭圆振动。类似于两个脚踏板，左右两个驱动头可在一个振动周期内交替的地驱动一个滑块产生直线运动；即一个周期内，可以实现两次交替、同向驱动滑块运动，而不是传统的压电直线马达一个周期内只能驱动滑块运动一次，因此，显著改善了压电马达的输出力和运动性能。

仿脚踏自行车运动机理的模拟示意图

         受脚踏自行车运动驱动机理启示，相应设计的压电陶瓷工作在d31模式和d15模式及它们的协同作用。研制的压电马达表现出优秀的综合驱动特性：快的驱动速度（211mm/s），较大的驱动力（5.4 N），以及高的功率密度（243 mW/cm3），是已有报道的两倍以上。同时，提出的新型仿生运动压电马达可以在很宽的运动速度范围（3.3 μm/s ~ 211 mm/s）内工作，具有超高的步进位移分辨率（33nm）。同时，提出的压电马达工作在单振动模态，也可以有效克服传统依靠复合模态工作的压电马达存在的结构设计复杂、功耗大、易受环境温度变化影响的弊端。
        本发明提出的高功率密度压电马达具有优秀的综合驱动性能——结构紧密、集成度高、负载大、功率密度高、步进分辨率高，在航天工程、半导体器件加工、医学操作、光通信等领域都将会有广阔的应用空间。同时，本研究也证实了仿生运动策略对压电器件设计的启发意义。
        这一成果近期发表在国际工业电子领域顶级期刊：IEEE Transactions on Industrial Electronics（JCR分区：Q1）上，题目为“A High-Power-Density Piezoelectric Actuator Operating in Bicycling Movement Mechanism”，（DOI：10.1109/TIE.2022.3190900）。文章的第一作者是北京大学材料学院2018级博士生李占淼，董蜀湘教授是本文通讯作者。该成果同时已申报中国发明专利一项。