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電應(yīng)變值高達(dá)1.3%的新型陶瓷材料將大大降低壓電設(shè)備成本

發(fā)布日期：2018-5-14 來源:材料科技在線

壓電材料在外加電場(chǎng)下可以改變其形狀，其在紙上油墨印刷和掃描隧道顯微鏡的*移動(dòng)*等方面具有廣泛的應(yīng)用。目前，*有效的壓電材料是單晶格壓電材料，因?yàn)樗鼈兙哂休^大的電應(yīng)變值（＞1%），電應(yīng)變值標(biāo)志著材料在施加電場(chǎng)時(shí)所能產(chǎn)生形變量大小。然而，它們非常昂貴且難以制造。由多個(gè)微小晶體組成的陶瓷壓電材料至少比其便宜一百倍，且易于批量生產(chǎn)，但它們通常具有非常低的電應(yīng)變值。

印度科學(xué)院（IISC）的研究人員*設(shè)計(jì)了一種陶瓷材料，其能夠達(dá)到迄今為止陶瓷*高的1.3%的電應(yīng)變值，并且*接近單晶的電應(yīng)變值記錄。

負(fù)責(zé)這項(xiàng)研究的IISc材料工程系副教授Rajeev Ranjan說：“陶瓷的制造過程和磚頭十分相似，這可使得致動(dòng)器和換能器行業(yè)在高端應(yīng)用方面，可選擇比單晶更便宜的材料。”

這項(xiàng)研究發(fā)表在《自然材料》Nature Materials雜志上。

當(dāng)石英等天然材料被切割為單晶后，當(dāng)施加電壓時(shí)，其可以自動(dòng)壓縮或膨脹。然而，它們的制造成本高且復(fù)雜。自20世紀(jì)50年代以來，焦點(diǎn)已經(jīng)轉(zhuǎn)向更便宜的鐵電基陶瓷混合金屬氧化物。這些陶瓷在其制備過程中不具有壓電性，但可以通過施加強(qiáng)電壓來實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)電場(chǎng)施加到壓電材料晶體或陶瓷上時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生一種應(yīng)變，其是由相對(duì)于原始尺寸的長度變化來衡量的。在材料中可以誘導(dǎo)的應(yīng)變?cè)酱笤胶�，特別是對(duì)于諸如醫(yī)學(xué)成像設(shè)備中超聲產(chǎn)生方面的應(yīng)用。迄今為止達(dá)到的這種電應(yīng)變的*高值是1.7%，它來自一種被稱為弛豫鐵電體的特殊類型鉛基材料單晶。到目前為止，研究人員無法設(shè)計(jì)具有相似或接近電應(yīng)變值的陶瓷。

陶瓷材料通常是一種細(xì)小的復(fù)合材料，隨機(jī)取向的金屬氧化物晶體稱為晶粒。當(dāng)施加電壓時(shí)，在每個(gè)晶粒內(nèi)稱為疇的局部區(qū)域試圖使其自身朝向所施加的磁場(chǎng)方向生長，進(jìn)而促使晶粒改變其形狀。晶粒形狀變化的程度取決于稱為“自發(fā)晶格應(yīng)變”的固有性質(zhì)。這種自發(fā)應(yīng)變?cè)酱�，顆粒在電場(chǎng)作用下變形的程度就越大。在陶瓷壓電材料中看到的電應(yīng)變代表了幾千個(gè)晶粒伸長的總和。

然而，大多數(shù)壓電陶瓷有一個(gè)缺點(diǎn)：當(dāng)電壓被關(guān)閉時(shí)，疇仍然停留在其新的結(jié)構(gòu)中，被材料中的缺陷所釘住，并且不能返回到它們的初始狀態(tài)。這意味著，當(dāng)施加電壓第二或第三次時(shí)，電應(yīng)變將急劇減小。

因此，理想的壓電陶瓷材料不僅應(yīng)具有大的自發(fā)晶格應(yīng)變，而且還應(yīng)具有疇的可逆運(yùn)動(dòng)。

為了開發(fā)出這樣的材料，Ranjan和他的團(tuán)隊(duì)首先制備了具有較大自發(fā)晶格應(yīng)變的BiBeO3和PbTiO3固溶體。因?yàn)檫@種材料中的疇是不動(dòng)的，所以他們通過添加不同量的鑭元素來進(jìn)行化學(xué)修飾，以使疇移動(dòng)。在鑭的某一臨界濃度下，當(dāng)電壓被切斷時(shí)，疇能夠切換回到原來的狀態(tài)。

Ranjan說：“因此，我們的材料可以被比喻成一種橡膠，它可以在每次拉伸時(shí)反復(fù)拉長�！�

在加入臨界濃度的鑭時(shí)，該材料也顯示出1.3%的電應(yīng)變值，這幾乎是迄今報(bào)道的陶瓷*高值的兩倍。每次施加電壓時(shí)，該值都保持不變。經(jīng)仔細(xì)核對(duì)，該材料表現(xiàn)出類似于高性能弛豫鐵電體的納米級(jí)性質(zhì)。

Ranjan說：“我們的研究成果已經(jīng)證明，即使在陶瓷中也能實(shí)現(xiàn)如此大的電應(yīng)變，這將會(huì)刺激科學(xué)家去研發(fā)出更多的新型材料�！�

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