近日，美國賓州大學(xué)和密歇根理工大學(xué)的一個研究小組發(fā)現(xiàn)一種用于制造超高性能壓電陶瓷的新設(shè)計策略，這將可以制備出比通常預(yù)期更高壓電系數(shù)的壓電陶瓷。該研究發(fā)表在“Advanced Science”期刊上。

論文地址：https://doi.org/10.1002/advs.202105715

“長期以來，與單晶相比，壓電多晶陶瓷表現(xiàn)出有限的壓電響應(yīng)，”賓夕法尼亞州立大學(xué)研究副總裁兼材料科學(xué)與工程教授Shashank Priya說，“我們實現(xiàn)了每牛頓近2000微微庫侖，這是一個重大進步，因為在多晶陶瓷中，這一量級一直被限制在每牛頓1000微微庫侖左右。” Priya說，“2000年在陶瓷界被認為是一個遙不可及的目標，因此實現(xiàn)這一數(shù)字非常引人注目?！?/span>

發(fā)現(xiàn)新機制的途徑始于一個問題：什么因素控制壓電常數(shù)的大小？一種是化學(xué)非均質(zhì)性，它描述了材料中不同元素的原子是如何在納米尺度上分布的。這一點很重要，因為不同的原子位置及其所占據(jù)的位置對壓電響應(yīng)至關(guān)重要。第二個是各向異性，即晶體取向的影響。這一點很重要，因為材料中的壓電特性沿特定晶體方向更高。

增強壓電效應(yīng)的唯象圖解和相場模擬

密歇根理工大學(xué)材料科學(xué)與工程教授王宇（Yu.Wang）說：“想象一下，材料就像一個立方體，立方體有不同的軸、面對角線和體對角線，因此壓電響應(yīng)在所有這些不同的方向上都會發(fā)生變化?！薄！耙虼耍覀儽砻?，通過將陶瓷材料中的所有晶粒沿特定晶體學(xué)軸對齊，我們可以獲得非常高的壓電響應(yīng)。我們在陶瓷材料中創(chuàng)造了非常高的局部異質(zhì)性和非常高的晶粒取向，這兩個基本控制參數(shù)的組合導(dǎo)致了陶瓷中的高壓電響應(yīng)?！?/span>

研究人員發(fā)現(xiàn)，如果在陶瓷中加入少量稀土元素銪，銪將占據(jù)立方晶格的一角。這在材料中產(chǎn)生了化學(xué)不均勻性，這是高壓電響應(yīng)所必需的。研究人員通過使99%的晶粒定向，能夠進一步放大反應(yīng)。證明該概念包括通過掃描陶瓷材料收集透射電子顯微鏡數(shù)據(jù)，并結(jié)合能量色散X射線光譜（EDS）技術(shù)。EDS可以確定存在哪些化學(xué)元素，并使研究人員能夠在單原子水平上“看到”陶瓷中存在銪，從而使其具有高壓電響應(yīng)所需的異質(zhì)性。

這些發(fā)現(xiàn)有可能導(dǎo)致改進甚至新型壓電材料，以及各種新的致動器和傳感器應(yīng)用。這可能意味著更好的機器人、傳感器、變壓器、超聲波電機和醫(yī)療技術(shù)。此外，由于研究中的超高壓電陶瓷可以使用傳統(tǒng)的多層制造工藝進行加工，因此材料將具有成本效益和可擴展性。

編譯 YUXI

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