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            科学家设计出新陶瓷压电材料,电致应变值达1.3%

                     压电材料是一种被施加电场时会改变形状的材料,具有广泛应用,其中一个焦点压电材料陶瓷成本低廉,可惜的是电致应变值很低,导致效率不佳。现在印度科学家设计出电致应变值比以往还要高2 倍的新陶瓷压电材料,将使感测器或驱动器有更便宜的材料选择。

                   压电效应在声音产生与侦测、高电压生成、电频生成、微量天平、光学元件超细聚焦等方面有着重要运用,压电材料种类甚多,如单晶、高分子、薄膜、陶瓷、复合材料等,受惠于晶格内原子特殊排列方式,当在压电材料表面施加电场(电压)时,材料因应力场与电场耦合而会产生逆压电效应:电场作用导致电偶极矩被拉长,压电材料为抵抗变化会沿电场方向伸长(机械形变),实质上是电能转化为机械能的过程。

                  压电材料种类可以分成压电单晶体、压电多晶体(压电陶瓷)、压电聚合物、压电复合材料等4 大类;若根据具体材料形态,则可以分为压电体材料和压电薄膜两大类,能诱发的形变越大越好,特别有利于超声波设备应用。

                  上述分类中,压电单晶体因具有大于1% 的电致应变值(electrostrain value)所以效率最佳,多数为铁电晶体,比如含氧八面体的铁电晶体、含氢键的铁电晶体、含层状结构的钛酸铋晶体等;另外也有包括石英、硫化镉、氧化锌、氮化铝等的晶体,其中天然材料(如石英)切割成单晶体后,会在电压施加时自动压缩或膨胀,但同时成本高昂且制造困难。

                  因此1950 年代以来,研究人员便将另一大焦点放在由多个微小晶体组成的压电多晶体(压电陶瓷)身上,其成本相较于压电单晶体便宜了百倍,但电致应变值通常也很低,有一好无两好。

                  目前,电致应变值最高的材料是一种称为铁电弛缓体(relaxor ferroelectrics)的特殊类型,高达1.7%,过去研究人员一直无法再突破陶瓷材料的应变值,直到现在,陶瓷压电材料可能有机会出头天了。

                  印度科学理工学院(IISc)材料工程系副教授Rajeev Ranjan 设计出电致应变值高达1.3% 的陶瓷压电材料,是迄今为止所有陶瓷材料中最高(高出2 倍)且最接近压电单晶体纪录的电致应变值,Rajeev Ranjan 表示,制作陶瓷的过程与制砖相似,这项设计将使感测器或驱动器得以选择便宜许多的材料。

                  之前,多数陶瓷压电材料有一个大缺点,施加电场时材料发生应变,但电场消失后形状却变不回原始状态,所以后续施加第2 次、第3 次电场时,电致应变值会急剧减少。为了改善这项不可逆缺点,研究团队首先准备主要成分为BiFeO3 PbTiO3 的陶瓷材料,接着添加元素镧(lanthanum)来对上述两种化合物进行化学修饰,使得电场关闭后,材料能跟着回复原始状态。

                  现在你可以将这种陶瓷压电材料比喻为橡胶,它和其他材料一样经得起反覆拉伸,但成本大幅下滑。

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