北大李法新组发现铁电材料中的电弹性和电阻尼效应

铁电（或压电）材料的弹性常数与电边界条件有关，通常用恒电场（零电场）下的弹性常数 和恒电位移下的弹性常数 来表示这种区别。然而，李法新课题组最近采用基于机电阻抗的模量内耗测量方法(Q-EMI)测量PZT-5H压电陶瓷的结果表明，即使在较小的偏置电场下，弹性常数 也并不是常数，而是随着偏置电场线性变化。以为例，在±100V/mm的偏置电场下，的变化幅度可达3%，而对应的阻尼（或内耗）也随电场线性变化，但变化的幅度更大，约为8%，如下图1。针对这种现象，作者定义了两组新的五阶材料常数，即电弹性系数（减缩记为 (i=1, 2, 3; k, l=1, 2, …, 6)） 和电阻尼系数（减缩记为），用来表征材料的弹性常数和内耗随偏置电场的变化。

图1 径向极化的PZT-5H压电陶瓷管在纵向振动和扭转振动下测量的弹性常数和内耗随偏置电场的变化

当偏置电场逐渐增大时，弹性常数的变化幅度也逐渐增大。在±300V/mm偏置电场下，弹性常数的变化幅度达到了10%，而内耗的变化幅度达到了近30%。然而，与电位移和应变类似，弹性常数和内耗的变化也出现了一定的滞回现象，这表明即使在明显低于矫顽场(500V/mm)的偏置电场下，也会引起少量的电畴翻转。而当偏置电场超过矫顽场时，铁电材料中电畴翻转急剧发生，表现出电滞回线和横向应变的反蝶形回线，见图2（左），相应地，材料的弹性常数和内耗也显示出反蝶形回线，见图2（中，右）。

图2 PZT-5H压电陶瓷的弹性常数和内耗随偏置电场的变化和滞回现象

该工作发现的电弹性和电阻尼现象对于精密铁电器件的设计具有重要意义。当施加偏置电场时，由于弹性常数发生变化，器件的共振频率也将发生改变。如前所述，当施加±300V/mm的电场时，弹性常数变化的幅度约为10%，相应地，其器件共振频率的变化幅度可能达到5%，这为可调频铁电器件的设计提供了一条相当便捷的途径。

论文链接：

https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0117912