Advanced Science:基于压电超材料方法首次设计出剪切型多层共烧压电元器件

低温多层共烧陶瓷技术是大规模工业化生产制造铁电电容元件、压电致动元件、传感元件等先进集成器件的最重要手段。例如,基于低温多层陶瓷共烧制备的纵向应变(d33)模式压电堆,因其高的集成度、低的驱动电压、大的产生力等优势,已广泛应用于先进制造(如光刻机电机)、高端医疗设备(如呼吸机阀门)、航空航天(如卫星激光通讯)等多种精密微机电系统。然而,具有剪切应变输出的压电堆(一种基本的压电致动元件),传统上只能依靠昂贵的多个压电单晶片 (d36模态),或者多个压电陶瓷片 (d15模态) 粘接制备, 这不可避免地导致元器件的制造效率低下,以及长期服役带来的疲劳性和可靠性问题。多层陶瓷共烧理论上有望解决这一难题,但几十年来从未实现剪切应变模态压电堆的多层陶瓷共烧制备。这是因为所有压电陶瓷的自然剪切模式(d15和d24模态)中,施加电场方向和陶瓷的极化方向总是互相垂直的,与共烧制备所要求二者必须平行在技术上无法兼容。这一技术瓶颈长期无法得到有效解决。

近日,《尖端科学》(Advanced Science)报道了北京大学工学院董蜀湘课题组在该领域的重要进展。该课题组受前期有关压电超材料工作基础的启发,通过人工序结构方法激发出压电陶瓷表观d36模态,进而首次实现了剪切型压电堆的低温多层陶瓷共烧集成制备。论文题目为:Tailoring Artificial Mode to Enable Cofired Integration of Shear‐type Piezoelectric Devices (DOI: 10.1002/advs.202001368)。在2019年,课题组提出了通过基元序构构筑“压电超材料”的全新概念(Jikun Yang, et, al. Science Advances, 2019, eaax1782DOI: 10.1126/sciadv.aax1782),设计出全部18个压电应变矩阵元非零的压电陶瓷材料,并实质上建立了压电器件设计的全新方法论。新的工作延续并利用了该工作的核心思想,进一步攻克了切变型压电元器件多层共烧制备长期以来遇到的技术瓶颈。在相同的尺寸和驱动电压下,实验测得的准切变位移输出比传统块体d15模态高出了一个数量级。基于导波的结构健康监测(和北大工学院李法新课题组合作)和力学传感的结果进一步证实,该新型元器件能显著提高剪切型压电传感器、驱动器等的性能输出和服役表现。这一系统的工作不同于传统上改变工作频率或者基于有限的天然压电系数来设计压电器件,而是提出了通过设计压电基元的序结构并利用和调整它们的协同效应,得到传统无法实现的表观输出,对压电器件的未来发展具有明确的示范意义。

该论文的第一作者是北京大学工学院2016级博士生杨继昆,董蜀湘教授是论文通讯作者。北京大学工学院李法新研究员课题组参与了本课题的研究。这项研究获得国家自然科学基金委(51072003)资助、磁电功能材料与器件北京市重点实验室的支持。