Designing Artificial Vibration Modes of Piezoelectric Devices Using Programmable, 3D Ordered Structure with Piezoceramic Strain Units

材料科学 压电 陶瓷 扭转(腹足类) 超材料 声学 机电耦合系数 振动 机械工程 复合材料 结构工程 光电子学 工程类 医学 物理 外科
作者
Zhanmiao Li,Xingyu Yi,Jikun Yang,Lang Bian,Zhonghui Yu,Shuxiang Dong
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:34 (2) 被引量:11
标识
DOI:10.1002/adma.202107236
摘要

Piezoelectric ceramic devices, which utilize multifarious vibration modes to realize electromechanical coupling and energy conversions, are extensively used in high-technological fields. However, the excitation of basic modes is mainly subjected to natural eigenfrequency of ceramic devices, which is related to the structure and material parameters. Herein, inspired by metamaterial theory, a programmable, 3D ordered structure with piezoceramic strain units (3D OSPSU) is developed to artificially generate basic modes in a broad frequency band other than only in narrow eigenfrequency. A (2 × 2 × 2) arrayed, co-fired, multilayer 3D OSPSU is painstakingly designed and fabricated for generating basic modes, such as flexural, extension, shear, torsion, and even coupled modes at nonresonance. To validate the 3D OSPSU method, a five-degree-of-freedom micro-nano actuating platform based on only one co-fired multilayer ceramic is constructed. The proposed methodology provides a new paradigm for creating extraordinary material properties of piezoelectric ceramics and will inspire brand-new piezoelectric device designs.
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