北京大学董蜀湘教授团队人工压电超材料 | Progress in Materials Science

今日新材料 · 公众号 · · 2025-01-30 00:09

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压电效应是指一类具有非中心对称点群的压电材料，在受到机械应力时会产生电荷的现象。压电材料因其独特的力 - 电耦合特性，能够实现机械能和电能的双向转换（正压电和逆压电效应），在驱动器、传感器、换能器等领域发挥着不可或缺的作用。自上个世纪 40 年代和 50 年代先后发现钛酸钡（ BaTiO ₃ ）和锆钛酸铅（ PZT ）压电材料以来，各国科学家们一直尝试寻找性能更优异的压电材料，以及通过组分调控（如准同型相界 MPB ）、离子掺杂、缺陷引入、畴工程、晶粒织构等方法，来增强材料的本征压电性能。 目前通过上述调控技术和途径进一步提升材料的压电性能已经遇到了瓶颈，难以在压电材料性能提升方面取得重大突破，并产生了诸多问题。 一方面，随着材料压电性能的持续提高，一些不明显的副作用逐渐变得更加突出，如通过调整组分使压电性能大幅度增加的同时，常常会伴随着介电损耗增加和温度稳定性恶化。另一方面，由于压电陶瓷材料只存在五个非零压电系数，压电陶瓷的有限振动模态以及某些振动模态的缺失，使压电器件的设计遇到了困境，阻碍了压电器件的持续发展。

受到力学超材料的启发，通过人工设计材料结构而不改变材料本身的化学成分获得超常的物理和机械性能， 北京大学董蜀湘教授团队及其合作者， 在多年压电材料与器件的研究基础上， 提出了压电超材料的概念 和设计新策略 ，为压电材料的持续发展提供了新的途径。压电超材料是一类具有超常规压电性能的功能材料，其核心思想是利用压电母体材料构建具有特定极化方向的压电基本单元，并将压电单元按照人工拓扑结构设计策略在 3D 空间有序排列；在可程控电场驱动下，通过压电单元的应变协同与耦合效应，获得超出自然压电陶瓷的更优异压电性能、产生自然压电陶瓷不存在的压电系数和人工模态。因此，通过压电超材料设计，不仅可保持母体压电材料的低介电损耗、高居里温度和宽温度稳定性等优点，而且通过结构拓扑设计实现超常的压电性能、全非零压电系数，以及实现各向异性响应和丰富的振动模态，为压电材料和器件发展中面临的挑战提供新的解决方案。

近日，董蜀湘教授团队及其合作者，针对压电超材料的最新研究进展，进行了全面系统的总结和评述。 与涉及弹性波、声学透镜和声子晶体等传统压电超材料不同，本综述聚焦于提升压电材料自身压电性能的结构设计策略，例如人工压电系数的构建、压电系数的强化，和人工振动模态的实现，以及面向发展多功能集成和多物理场耦合的智能压电超材料与器件的方法。综述首先简要回顾了典型母体压电材料（包括铅基、无铅和有机压电材料）的本征压电特性及其研究进展，为引入压电超材料奠定基础。其次，介绍了压电超材料的特性，包括设计原理的阐述、人工压电系数的构建和振动模态的实现。之后，总结了压电超材料的人工结构设计种类和方法。随后，介绍了各种压电超材料的制造技术和讨论了压电超材料在驱动器、俘能器、传感器、换能器和智能器件中的先进应用。目前压电超材料正处于蓬勃发展阶段。本文在全面总结压电超材料最新进展的基础上，展望了未来的研究发展前景，为压电超材料为基础的相关研究、压电材料与器件的未来发展提供了前瞻性指导。本综述还详细讨论了“材料 - 结构 - 功能”一体化集成的压电超材料以及它们的巨大发展潜力。相信在可预见的未来，将看到以压电超材料为基础、具备颠覆性创新功能的自适应智能器件与装置将成为现实。

北京大学董蜀湘教授团队人工压电超材料 | Progress in Materials Science

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