北大压电材料新突破：周期正交极化使压电陶瓷的致动应变达到原来的4倍

2017 年 8 月 26 日 知社学术圈 知社

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PZT压电陶瓷致动器基于线性的压电效应，输出应变通常比较小，一般只有0.1-0.15%。PZT中铁弹畴变可以产生很大的应变(0.6-0.7%)，但这种应变通常不可逆。最近，北京大学李法新研究组提出周期正交极化的方法，使得PZT压电陶瓷中的非180度畴变变得可逆，在2kV/mm电场下可产生约0.6%的超大致动应变，而且应变滞回较小，循环稳定性很好。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），同时被选为美国物理联合会的研究亮点进行了特别报道(AIP SCIlight，"Novel poling method in piezoelectric ceramics opens the door to the next-generation large-strain actuators", http://scitation.aip.org/content/aip/journal/sci/2017/9/10.1063/1.5000153 )。

Actuator（致动器或作动器）是现代工业的重要部件，在纳米技术、精密测量、精细加工、微电子、航空航天、机器人等领域得到了广泛的应用。理想的致动器应该具有控制方便、位移大、线性度好、响应速度快、致动力大等优点。目前工业中使用的致动器主要有三类：1）压电致动器；2）磁致伸缩致动器；3）形状记忆合金致动器。三类致动器的主要性能对比见表1。

表1　三类工业致动器的主要性能对比

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%）。

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：

i）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，最大应变可达1%以上(Park and Shrout, JAP 1997)，但铁电单晶一方面成本很高，另一方面其电致应变在施加预应力的时候下降很快（如PMN－PT单在施加20MPa预应力时，其致动应变只有约0.2-0.3%）；

ii) 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，文献中报道在很高的电场(＞5kV/mm)下，电致应变可达0.7% (Liu and Tan, Adv Mater 2016)，但是在常用的中低电场(2kV/mm)范围内，其致动应变一般不超过0.2% (Fu J et al, APL 2014)，而且无铅应变陶瓷的应变滞回一般都很大，通常大于50%，难以用于位移的精密控制；

iii）通过可逆的铁弹畴变来实现大的电致应变。加州理工的Burcsu et al (APL 2000)通过力-电耦合加载，在钛酸钡单晶中实现了大于0.7%的电致应变，但他们施加的是双向电场，实际上无法对应变进行准确控制；任晓兵(Nature Mater 2004)在钛酸钡单晶中通过老化引入点缺陷，实现了0.8%的可逆应变，但这种方法产生的应变稳定性不好，经过多次循环后，由于缺陷产生的内偏场固有的弛豫特性，可逆应变会逐渐变小直至消失；北京大学李法新课题组(APL 2013)通过单向电场和预应力的耦合加载，在钛酸钡单晶和PMN－PT单晶中分别实现了0.93%和0.66%的超大致动应变，其稳定性也较好，但这种方法同样也需要外加预应力，在工业应用中受到了限制。同时，需要提出的是，上述通过可逆铁弹畴变实现的大电致应变均是在铁电单晶中实现的，在压电陶瓷中实现的可逆畴变应变仅为0.3%左右(Zhao et al, APL 2014)，而且上述通过可逆畴变产生的致动应变均有较大的滞回。

李法新研究组从形状记忆合金（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，最大致动应变接近0.6%（约为90%的饱和畴变应变）。而且，这样产生的大致动应变稳定性也很好，经过10000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。