人工周期性压电复合材料拓扑结构与性能关系研究

Piezoelectric composites are widely used as sensors and actuators. Conventionally constituents in a composite are randomly distributed, making it difficult to precisely control the composite structure and to quantitatively correlate the structure and properties of the material. In recent years there has been increasing interest to develop and investigate ferroelectric/piezoelectric composites with periodically arranged constituents with the hope that such structural feature could lead to a breakthrough of properties in materials. In this project we propose to study piezoelectric composites featuring artificial periodicity in nano-/microstructures. Theoretical research will be conducted via finite element analysis, aiming to reveal how the periodicity of each constituent would affect the polarization switching, mechanical properties, dielectric and piezoelectric performance of the composite. Experiments will also be conducted to verify the theoretical work. It is believed that the output of the proposed research will be beneficial for the design and development of new materials and devices, especially those with artificial periodicity in structures.

压电复合材料在各种传感器和驱动器中应用广泛，其力学和电学性能与复合结构中各组分的分布以及相互耦合有直接关联。近年来对金属以及某些结构陶瓷的研究发现，通过微纳结构单元（不是指晶胞）的周期性排列而形成“点阵”材料，其性能优于相同成分的均质材料。可以预期在压电复合材料引入人工周期性微纳结构，也可能带来性能的突破，但是其中涉及的结构-性能关系迄今为止并未形成清晰的物理图像。本项目拟采用有限元计算方法对人工周期性压电复合材料的多物理场模型进行仿真，并结合实验验证，分析不同拓扑结构对材料表观力学性能、介电性能以及压电行为影响规律，为开发新型压电复合材料体系奠定理论和实验基础。本项目的顺利实施，有利于实现压电材料的性能突破，并将新理论、新方法引入功能材料的设计与开发中，为后续新型功能器件的研发打下坚实的基础。

压电复合材料在各种传感器和驱动器中应用广泛，其力学和电学性能与复合结构中各组分的分布以及相互耦合有直接关联。近年来对金属以及某些结构陶瓷的研究发现，通过微纳结构单元（不是指晶胞）的周期性排列而形成“点阵”材料，其性能优于相同成分的均质材料。可以预期在压电复合材料引入人工周期性微纳结构，也可能带来性能的突破，但是其中涉及的结构-性能关系迄今为止并未形成清晰的物理图像。.项目组通过有限元方法将一些新颖的微体系结构（例如，波浪网络和螺旋网络）引入复合材料中，系统地分析了表观的弹性/介电/压电特性的对称性和按比例缩放行为，其结果也表明，在曲线结构中发现的“柔软度”会导致超高压电响应。随后，项目组采用仿真建模建立最小周期单元压电模型，通过选区激光烧结成型设备将所设计的三维拓扑结构打印成型， 结果表明该类材料中可获得优良的铁电、压电和挠曲电性。此外，项目组利用有限元法设计了由压电传感单元、弹簧单元和质量单元组成的压电复合材料，并对其Coriolis效应进行了研究，结果表明，这种压电复合材料的偏转行为可以严格地破坏Coriolis效应，且存在负的Coriolis效应。相关研究成果有利于实现压电材料的性能突破，并将新理论、新方法引入功能材料的设计与开发中，为后续新型功能器件的研发打下坚实的基础。