多孔铁电/压电陶瓷中极化场与孔隙率协同调控压电响应的数值模拟研究

推荐：本研究通过数值模拟揭示了多孔铁电/压电陶瓷中极化场(Epol)与孔隙率(p)对压电系数d33的协同调控机制。研究人员采用Jiles-Atherton滞后模型结合有限元分析，首次提出局部退极化-再极化过程对宏观压电性能的影响，发现特定孔隙排列下存在d33最大值，为优化3D打印压电材料性能提供理论依据。

　　

压电材料在传感器和能量收集等领域应用广泛，但传统致密陶瓷存在脆性大、密度高等局限。近年来，通过引入孔隙结构改善性能成为研究热点，但孔隙如何影响极化过程和压电响应仍缺乏系统认知。更棘手的是，实验中发现某些多孔陶瓷的压电系数d₃₃会在特定孔隙率出现峰值，这与常规认知相悖——毕竟孔隙本应减少活性材料体积。这种反常现象背后，是否隐藏着极化场与孔隙结构的微妙博弈？

罗马尼亚雅西大学（"Al. I. Cuza" University of Iasi）的Radu Stefan Stirbu和Liliana Mitoseriu团队在《Materials Science and Engineering: B》发表研究，通过创新性数值模拟破解了这一谜题。他们突破传统"非黑即白"的极化假设，首次将Jiles-Atherton滞后模型与有限元分析结合，构建了能反映局部退极化-再极化动态过程的计算框架。研究以BaTiO₃为模型体系，系统分析了三种规则孔结构（球形孔方阵、椭球孔阵列、六方密排孔）在不同极化场(2-30 kV/cm)和孔隙率(0-45%)下的d₃₃(E_pol,p)响应。

关键技术包括：1）基于Jiles-Atherton模型构建d₃₃(E_pol)本构关系；2）COMSOL Multiphysics多物理场耦合计算（静电学+压电效应模块）；3）设定临界退极化场(22 kV/cm)触发局部失效；4）通过旋转坐标系实现局部极化方向映射。

【极化曲线分区现象】

研究发现d₃₃(E_pol)曲线呈现四阶段特征：I区（<12 kV/cm）所有孔隙率样品呈线性增长，场集中效应补偿了活性材料损失；II区（12-22 kV/cm）致密样品达饱和而多孔样品d₃₃下降，因孔间高场区发生局部退极化；III区（22-26 kV/cm）出现交叉现象，屏蔽效应使高孔隙样品产生二次极化；IV区（>26 kV/cm）高孔隙样品因屏蔽保护呈现反常性能提升。

【孔隙构型影响】

在20%孔隙率时，三种孔结构均出现d₃₃峰值：球形孔方阵的峰值出现在16 kV/cm，而椭球孔和六方阵列因几何各向异性使峰值场强降低10%。局部场图显示，椭球孔沿长轴方向更易引发早期退极化，但相邻孔平面间形成更大屏蔽区。

【突破性发现】

首次通过计算证实：当极化场处于III区（22-26 kV/cm）时，d₃₃(p)曲线会出现最大值。例如24 kV/cm极化时，峰值出现在孔隙率18%处。这完美解释了文献中报道的实验现象，其机制源于"退极化区域"与"屏蔽保护区域"的动态平衡。

该研究建立了"极化场-孔隙率-微观结构"的定量关系，为设计高性能多孔压电材料提供新范式。提出的计算方法可推广至PZT等复杂体系，对指导3D打印压电陶瓷的工艺优化具有重要价值。尤其值得注意的是，模型揭示的"局部退极化可逆机制"突破了传统击穿理论的认知，为开发新型自适应压电材料开辟了道路。