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(xiàn)了約0.6%的超大致動應變，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，同時美國物理聯(lián)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”為標題對該工作進行了專門報道。

壓電陶瓷致動器具有相應速度快、位移精度高、控制方便（電控）、體積小等上風，一向在致動器領域占有著主導地位。目前應用的壓電致動器重要由鋯鈦酸鉛（PZT）陶瓷制成。PZT壓電陶瓷在工業(yè)中已經(jīng)應用了半個多世紀，它的性能可以通過改轉變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%，遠低于外形記憶合金的致動應變（～百分之幾），同時也低于近年來發(fā)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進步壓電材料的致動應變，重要有三類途徑：1）發(fā)展弛豫型鐵電單晶（如PMN-PT、PZN-PT），通過電場誘導相變來進步其電致應變；2）發(fā)展無鉛壓電陶瓷，同樣通過電場誘導的鐵電相變產(chǎn)生大應變；3）通過可逆的鐵彈疇變來實現(xiàn)大的電致應變。但這些方法或者因為穩(wěn)固性不好，或者電場和滯回太大，或者必要施加預應力，不能真正在工業(yè)中得到應用。

李法新課題組從外形記憶合金（SMA）的雙程外形記憶效應的原理得到啟發(fā)，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，行使不用極化區(qū)域之間的界面應力來實現(xiàn)可逆的疇變，最大致動應變可達到約0.6%（2kV/mm，0.1Hz）。而且，如許產(chǎn)生的大致動應變穩(wěn)固性也很好，經(jīng)過10,000次循環(huán)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行使。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(yè)致動器。

周期正交極化PZT壓電陶瓷中的致動應變（0.1Hz）

編輯：山石