中国团队在压电致动器领域取得系列重要进展

近日，上海交通大学材料科学与工程学院金属基复合材料国家重点实验室郭益平课题组在高性能宏观无铅压电纤维复合驱动器研究中取得重要进展，该器件具有可媲美商用铅基压电纤维驱动器的场致位移（-500~1500 V，0.5 Hz驱动下输出31.4 μm）、良好的频率稳定性以及优异的循环可靠性（历经十万次循环后性能无明显衰减），在主动减震和形变控制等领域展现出强大应用潜力。研究成果以“Lead-free piezoceramic macro-fiber composite actuators toward active vibration control systems”为题发表在高水平期刊Journal of Materiomics上。

压电陶瓷材料虽然具备驱动精度高、功率密度大和机电转换效率高等优势，但其硬且脆的特性不仅容易受损失效，而且难以贴敷于表面起伏或质地柔软的基体。为解决上述问题，美国NASA Langley研究中心于1996年开发出了宏观压电纤维复合材料驱动器，利用环氧树脂将平行排列的锆钛酸铅基压电陶瓷纤维相互粘结，随后使用叉指电极层贴敷上下表面进行封装。该器件可弯折不易损坏且具有优异的驱动性能和可靠性。2002年Smart Material公司成功将其商业化生产，并广泛应用于机械振动控制、光学调制、形状变形控制和结构健康检测等领域中。然而，目前国内尚未研发出类似器件，工业生产方面仍然依赖进口，此外，这些进口的压电陶瓷材料均含有危害生态环境和人体健康的铅元素，不符合“绿色青山，就是金山银山”的发展理念。基于课题组近期开发的高性能KNN基无铅压电陶瓷材料(Science 2022，378, 1125)，本项研究工作利用切割填充法首次制备出宏观无铅压电纤维复合材料驱动器KNN-MFCA。在相同的驱动条件和几何尺寸下，该器件实现了与商用铅基驱动器相媲美甚至更高的电致位移，同时表现出优异的输出稳定性。此外，传统铅基陶瓷驱动器需要叠加负直流偏压来追求更高的位移输出，这将不可避免地导致退极化现象产生。相比之下，本工作中的无铅陶瓷驱动器仅需叠加正直流偏压就可实现更大的位移输出，更加符合实际生产应用的需求。该器件在谐振频率范围对悬臂梁的减震控制效率高达90%，突出了该KNN基无铅压电陶瓷在宏观纤维复合材料驱动器上的良好适用性。

图1.固定电压幅值为500-1500 V，KNN-MFCA在不同频率下的自由应变性能：(a) 输入电压信号波形示意图；(b) 分别在0.5 Hz、1 Hz、2 Hz和5 Hz频率下测得的场致位移；(c) KNN基无铅压电纤维复合驱动器与商用铅基驱动器比较；(d) 不同频率下测得的速度变化曲线；(e) 速度幅值随频率的拟合曲线。

图2. (a) KNN-MFCA 在正直流偏压下的疲劳循环特性；(b) PZT-MFCA 在负直流偏压下的疲劳循环特性； (c) 在-500-500 V，25 Hz电源驱动下，商用铅基驱动器驱动悬臂梁结构的尖端位移曲线；(d) Bi-MFCA和商用铅基驱动器同时启动时悬臂梁结构的尖端位移曲线。

材料科学与工程学院2020级直博生王彬全为论文第一作者，郭益平与来自澳大利亚伍伦贡大学的教授Shujun Zhang为论文共同通讯作者。该成果得到了上海市科委重点基础研究项目（20JC1415000）和国家自然科学基金(No. 52032012)资助。

另外针对现阶段压电致动器缺乏便携式、低功率驱动方案的技术问题，提出了基于叠层摩擦纳米发电机的电荷驱动方案，可实现直流/交流驱动压电堆叠、压电单晶片和宏观压电纤维复合物（MFC）致动器，所开发的自驱动压电微泵在液体输送、微流控芯片和精密化学等领域展现出巨大的应用潜力。研究成果以“Self-powered Piezoelectric Actuation Systems Based on Triboelectric Nanogenerator”为题发表在高水平期刊Advanced Functional Materials上。

随着物联网设备的兴起，分散式的传感器与致动器节点迫切需要可持续的能量供应。摩擦纳米发电机（TENG）可采集多种机械能，如振动、人体运动、波浪能和风能，相比于其他能量采集技术具有材料选择广、结构简单、低频能量采集能力强的独特优势，非常有望实现物联网设备的能量自供应。然而，现有的压电致动器通常需要搭配结构复杂的高压大功率驱动电源，并且在电压控制下存在较大的位移滞回，严重限制了其应用场景。TENG可以提供高达几百伏的开路电压，但是它的输出电压会随着负载电容的增加而显著降低，而它输出的电荷将使得致动器产生相应的电压变化与位移输出。因此，本项研究工作制备了叠层TENG器件，使得器件的短路输出电荷达到1.05 μC，并提出了基于TENG的压电致动器电荷驱动方案。相较于常规的驱动电源，该叠层摩擦电器件的输出功率仅为10.17 mW，具有低功率、自驱动与操作安全的特点，并使得压电堆叠致动器的输出位移滞回减小了58.1%。该驱动方案具备交流/直流两种模式，可驱动包括压电堆叠和MFC在内的商用压电致动器。此外，本工作成功构建了摩擦电驱动的压电堆叠载物平台，可实现显微镜变焦调控；验证了自驱动MFC致动器振动控制的可行性，并开发了自驱动压电微泵及其在流体输送等方面的应用。

图3. 摩擦电直流驱动下，压电堆叠致动器的位移性能： (a) 致动器测试平台示意图。（b）常规高压电源和（c）叠层摩擦纳米发电机驱动堆叠致动器的电压与位移输出。（d）不同驱动源下压电堆叠致动器的位移-电压曲线。（e）摩擦电驱动的压电堆叠致动器用作显微镜变焦的精密定位系统。（f）基于压电堆叠致动器的Z轴方向可调载物平台示意图，用于调节样品的对焦情况（1：堆叠致动器，2：观察样品，3：物镜）。（g）利用摩擦电驱动堆叠致动器的输出位移，观察欠焦、对焦和过焦条件下的图像（比例尺：20μm）。

图4. 基于摩擦纳米发电机的压电微泵用于流体输送应用：（a）基于压电单晶片和摩擦纳米发电机的自驱动压电微泵电路示意图。（b）摩擦电驱动压电单晶片致动器的两个过程。摩擦纳米发电机坐在4.0 Hz和8.0 Hz激励下驱动压电单晶片致动器的电压和位移输出。（e）用于液体输送的压电微泵示意图。（f）自驱动压电微泵的流体输送演示图。（g）不同击穿电压和激励频率下，自驱动压电微泵的流体输送速率。

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