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北大工学院李法新课题组在压电材料领域取得重要进展
梅西 2015-12-12
导语

压电陶瓷由于具有优良的力电耦合性质,在现代工业中得到广泛的应用。如B超检查中的超声探头、海洋探测用的声纳、压电超声马达、超声清洗器/焊接器等,都是由压电陶瓷制成的。目前压电陶瓷有3种变形模式,分别为厚度伸缩(d33)、面内伸缩(d31)和厚度切变(d15)模式。d15模式的工作电压和极化垂直,容易退极化,因此实用价值不大。

2015年9月23日,应用物理权威杂志Applied Physics Letters在线发表了工学院李法新课题组题目为“Realization of face-shear piezoelectric coefficient d36 in PZT ceramics via ferroelastic domain engineering”的研究论文(Applied Physics Letters107, 122902, 2015),报道了课题组首次在压电陶瓷中实现了面内剪切(d36)的变形模式。论文第一作者是工学院2012级博士研究生苗鸿臣,李法新研究员为通讯作 者。该工作得到了国家自然科学基金委优秀青年基金的资助。

压电陶瓷由于具有优良的力电耦合性质,在现代工业中得到广泛的应用。如B超检查中的超声探头、海洋探测用的声纳、压电超声马达、超声清洗器/焊接器等,都 是由压电陶瓷制成的。目前压电陶瓷有3种变形模式,分别为厚度伸缩(d33)、面内伸缩(d31)和厚度切变(d15)模式。d15模式的工作电压和极化 垂直,容易退极化,因此实用价值不大。面内剪切(d36)模式工作电压与极化方向一致,比厚度切变模式有明显的优势。然而,由于压电陶瓷极化后呈横观各向 同性,理论上不存在面内剪切的变形模式。

图(a)为d36模式在199Hz的阻抗谱, (b)为d36模式在313Hz的阻抗谱(c)为谐振频率199Hz激励下面内剪切变形的有限元模拟和(d谐振频率313Hz激励下面内剪切变形的有限元模拟

图:压电系数d36测量设置

李法新课题组采用循环的侧向力加载,通过铁弹畴变将压电陶瓷的对称性由横观各向同性改变为正交各向异性,进而通过沿ZXT±45º的方向进行切割,得到了具 有压电系数d36达到250pC/N的压电陶瓷片,这个数值与压电陶瓷的d31数值(一般为200-300pC/N)相近,并且非常稳定。面内剪切压电陶 瓷在无损检测SH波激励和剪切变形传感器等方面具有广阔的应用前景。目前课题组正致力将这一新的变形模式投入到工业应用。

李法新研究员简介:

北京大学工学院力学与空天技术系特聘研究员,Email:lifaxin@pku.edu.cn

个人主页:点击此处进入

主要研究方向:

1. 铁电陶瓷/晶体及薄膜的测试与表征
2. 扫描探针声学显微术-Atomic Force Acoustic Microscopy (AFAM)
3. 复合材料制备及无损检测
4. 医学弹性成像

主要学术成就:

1) 在铁电单晶畴变研究中取得突破性进展:i)通过在铁电单晶中预制自锁的畴结构,首次实现了铁电材料无畴壁运动的本征90度电畴翻转(APL 2013 Cover Featured Article);首次在非弛豫性铁电单晶(BaTiO3)中通过可逆铁弹畴变实现了电控伪弹性(APL 2013c),该工作被2013年9月份的Science评述文章引用;在800V/mm电场下通过可逆90度畴变实现了0.93%的超大致动应变,创造 了同电场下铁电材料电致应变的新纪录(APL 2013b);

2) 提出弹性成像无损检测新方法:在国际上原创性提出基于压电悬臂梁接触共振、以局部接触刚度为识别参数的无损检测新方法和系统(Rev Sci Instrum 2012),只需改变压电悬臂梁的刚度就可以实现组织弹性成像,可为浅表器官的早期癌变提供诊断依据(Medical Physics 2013);

3) 实现纳米力学表征新方法AFAM:在AFM平台上独立开发出定量测量纳米弹性性质的扫描探针声学显微术(AFAM),与纳米压痕相比有更高的分辨率和更低 的相对误差,填补了该方法在国内的空白,对AFAM准确度和灵敏度进行了系统研究(JAP2013a, 2013b; Nanoscale 2013);

4) 提出铁电多晶约束畴变理论:提出约束畴变的思想和基于数学优化的计算方法,建立了晶体结构相关的铁电多晶变形模型,计算效率高,可自动重现泰勒塑性原理 (Acta Mater2007a, 2007b, 2010; APL2010a; JAP 2013),可方便扩展至其它智能材料。

(本文整理自北京大学工学院网站)

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作者 梅西

本科生

北京工业大学

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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