用于提升3D打印BaTiO3超材料性能的元结构策略（超越其固有极限）

《Science China-Materials》：Metastructure strategies for d33 enhancement beyond intrinsic limits in 3D-printed BaTiO3 metamaterials

　　压电陶瓷d33值提升研究通过超材料结构设计实现，系统对比了二维直杆（SR）、三维点阵（Octa）及三重周期极小表面（TPMS）结构，发现结构优化可有效提升极化电荷转换率并降低压缩模量，其中FksS结构实现24%的d33增强，同时具备各向同性及应力不敏感特性。

　　

摘要

具有高介电常数（d₃₃）值的高灵敏度压电陶瓷具有重要的研究价值，因为它们有助于实现换能器设备的微型化、低功耗和高效率特性。然而，传统压电陶瓷的开发依赖于对内在参数的调节，这种调节在性能提升方面既有限制性又存在盲目性。相比之下，一种以性能为导向的超材料设计模型为开发结构-功能集成的高性能压电材料提供了新的思路。在本研究中，系统地研究了从二维直杆（SR）结构到三维点阵（Octa）结构，以及从简单的点阵结构到复杂的三周期极小表面（TPMS）结构和混合结构（Octa&SR）的各种材料中d₃₃的影响。研究发现，具有高极化电荷转换率和低压缩模量（刚性）特征的元结构设计是提高d₃₃的有效手段。SR结构表现出最佳的极化电荷转换率，TPMS结构中的Fks-Shellular（FksS）结构具有较低的刚性值，而Octa&SR结构同时具备这两种特性。值得注意的是，这三种结构都展现了优异的压电性能。此外，FksS结构的d₃₃值相比传统固体结构提高了24%（达到194 pC/N），同时具有各向同性和抗应力敏感性，并实现了最佳的结构-功能集成。总体而言，本研究阐明了设计具有理想压电性能结构的机制，为未来开发高性能和高抗破坏强度压电材料提供了新的概念。

具有高介电常数（d₃₃）值的高灵敏度压电陶瓷具有重要的研究价值，因为它们有助于实现换能器设备的微型化、低功耗和高效率特性。然而，传统压电陶瓷的开发依赖于对内在参数的调节，这种调节在性能提升方面既有限制性又存在盲目性。相比之下，一种以性能为导向的超材料设计模型为开发结构-功能集成的高性能压电材料提供了新的思路。在本研究中，系统地研究了从二维直杆（SR）结构到三维点阵（Octa）结构，以及从简单的点阵结构到复杂的三周期极小表面（TPMS）结构和混合结构（Octa&SR）的各种材料中d₃₃的影响。研究发现，具有高极化电荷转换率和低压缩模量（刚性）特征的元结构设计是提高d₃₃的有效手段。SR结构表现出最佳的极化电荷转换率，TPMS结构中的Fks-Shellular（FksS）结构具有较低的刚性值，而Octa&SR结构同时具备这两种特性。值得注意的是，这三种结构都展现了优异的压电性能。此外，FksS结构的d₃₃值相比传统固体结构提高了24%（达到194 pC/N），同时具有各向同性和抗应力敏感性，并实现了最佳的结构-功能集成。总体而言，本研究阐明了设计具有理想压电性能结构的机制，为未来开发高性能和高抗破坏强度压电材料提供了新的概念。