工學(xué)院力學(xué)與工程科學(xué)系李法新課題組在壓電材料領(lǐng)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(yīng)變變得可逆，實現(xiàn)了約0.6%的超大致動應(yīng)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（http://dx.doi.org/10.1063/1.4997940），同時美國物理聯(lián)合會的科學(xué)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（ http://scitation.aip.org/content/aip/journal/sci/2017/9/10.1063/1.5000153 ）。 

壓電陶瓷致動器具有響應(yīng)速度快、位移精度高、控制方便（電控）、體積小等優(yōu)勢，一直在致動器領(lǐng)域占據(jù)著主導(dǎo)地位。目前應(yīng)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(yè)中已經(jīng)應(yīng)用了半個多世紀(jì)，它的性能可以通過改變化學(xué)組分在很大范圍內(nèi)進行調(diào)整。然而，PZT陶瓷的最大致動應(yīng)變只有0.1～0.15%，遠低于形狀記憶合金的致動應(yīng)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(yīng)變（～0.2%）。　

周期正交極化PZT壓電陶瓷中的致動應(yīng)變（0.1Hz）　

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

李法新課題組從形狀記憶合金（SMA）的雙程形狀記憶效應(yīng)的原理得到啟發(fā)，認為壓電陶瓷中的可逆疇變應(yīng)該也可以由內(nèi)應(yīng)力來控制。然而，SMA中的熱－力訓(xùn)練過程無法應(yīng)用于脆性的壓電陶瓷。為此，他們巧妙地設(shè)計了周期正交極化的壓電陶瓷，利用不用極化區(qū)域之間的界面應(yīng)力來實現(xiàn)可逆的疇變，最大致動應(yīng)變可達到約0.6%（2kV/mm，0.1Hz）。而且，這樣產(chǎn)生的大致動應(yīng)變穩(wěn)定性也很好，經(jīng)過1000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(shè)計，最大致動應(yīng)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(yīng)用于新型低頻大應(yīng)變的工業(yè)致動器。   

信息來源：中科院上海硅酸鹽所 

http://www.sic.ac.cn/xwzx/kjxx/201709/t20170918_4860855.html