作为一种重要的机电转换功能性材料，压电陶瓷材料及器件深刻影响着智能传感、精密驱动、换能等高技术领域，在航天航空、生物医学操作、光通讯、微/纳米机电系统（M/NEMS）、激光制导、可穿戴柔性电子及无线传感网络等应用场景中发挥着关键性作用。一般来说，压电陶瓷器件需要工在特定的振动模态。因此，对于传统的压电器件来说，为了激发所需要的振动模态，需要将外部激励信号的频率设置为所需振动模式的本征频率（即自然共振或特征频率）。由于连续弹性介质的本征频率取决于几何结构、材料参数和约束条件等，且本征频率的数量是无限的，因此会不可避免地导致结构尺寸设计与本征频率和工作模态的不可调和、主振动模态与寄生模态之间的严重耦合等问题；而在非本征频率下，又很难有效激发出所需振动模态。这些问题长期限制了压电陶瓷器件的设计与发展。
三维超构激发人工压电振动模态
近日，北京大学材料科学与工程学院董蜀湘教授课题组在压电超材料设计思想的启发下，通过压电材料的三维有序智能构造，即通过压电陶瓷应变基元按一定顺序沿三维空间有序排列的构造（3D OSPSU），可以在很宽的非本征频率范围（从准静态到超声频率范围），人工地激发出所需要的各种基本振动模态。具体来说，他们设计了一种压电陶瓷应变基元按照（2×2×2）矩阵序构并通过多层共烧制备的压电陶瓷独石体智能结构；利用应变基元之间线性及非线性应变的协同效应，人工构造出弯曲、伸缩、剪切、扭转等非谐振基本模态或它们之间的复合模态（见图1所示三维超构理论模型）。通过压电应变基元的协同效应，增强某一或某些方向上的变形，我们可以获得自然压电陶瓷没有的、甚至增强的压电系数。人工构造出的表观压电系数甚至可以比自然压电系数高出数十倍甚至数百倍。因此，那些在非谐振状态下很难产生的振动模态都可以按照超构设计思想有效地激发出来。课题组通过一个可编程驱动电路驱动，可进一步获得可程控多模态激发功能（见图2）。将多个压电陶瓷智能结构叠加在一起时，他们还可以获得大尺寸、高阶或复合振动模态。这种压电三维超构理论思路，打破了传统压电振动理论的限制，有望为未来压电器件的设计开辟全新的发展方向。

图1 应变基元、三维超构、应变协同机理及人工振动模态之间关系的理论模型

图2 3D OSPSU的可程控、非谐振人工模态激发
首次利用单个压电陶瓷独石体产生五自由度微纳米驱动
为了验证提出理论模型的有效性，课题组通过多层共烧方法，制备一个独石状压电陶瓷3D OSPSU智能结构，测试了弯曲、伸缩、剪切、扭转等几个主要振动模态。进一步，他们利用共烧制备的压电陶瓷独石体，构造了一个五自由度微-纳米驱动平台，即一个单个的压电陶瓷独石体就可产生五个自由度的超高精密运动（见图3）。产生的五自由度运动包括：沿x-轴、y-轴和z-轴微-纳米平动以及绕x-轴和y-轴微秒弧度转动。测试显示，这一压电陶瓷独石体在三个平动自由度及两个转动自由度上产生的最小分辨率分别为3.5 nm、3.2 nm、3.0 nm、0.043及0.045（开环控制、普通实验室环境），显示出使用3D OSPSU方法论构造多自由度、多功能超精密压电器件的巨大潜力。

图3 基于3D OSPSU智能结构构造的五自由度微-纳米驱动平台及测试数据
这一成果以“Designing Artificial Vibration Modes of Piezoelectric Devices Using Programmable, 3D Ordered Structure with Piezoceramic Strain Units”为题，近期发表在Advanced Materials。文章的第一作者是北京大学材料学院2018级博士生李占淼，董蜀湘是本文通讯作者。