電應變值高達1.3%的新型陶瓷材料將大大降低壓電設備成本

      壓電材料在外加電場下可以改變其形狀，其在紙上油墨印刷和掃描隧道顯微鏡的*移動*等方面具有廣泛的應用。目前，*有效的壓電材料是單晶格壓電材料，因為它們具有較大的電應變值（＞1%），電應變值標志著材料在施加電場時所能產生形變量大小。然而，它們非常昂貴且難以制造。由多個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，但它們通常具有非常低的電應變值。

     印度科學院（IISC）的研究人員*設計了一種陶瓷材料，其能夠達到迄今為止陶瓷*高的1.3%的電應變值，并且*接近單晶的電應變值記錄。

     負責這項研究的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，這可使得致動器和換能器行業在高端應用方面，可選擇比單晶更便宜的材料。”

     這項研究發表在《自然材料》Nature Materials雜志上。

     當石英等天然材料被切割為單晶后，當施加電壓時，其可以自動壓縮或膨脹。然而，它們的制造成本高且復雜。自20世紀50年代以來，焦點已經轉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，但可以通過施加強電壓來實現。

      當電場施加到壓電材料晶體或陶瓷上時，它會產生一種應變，其是由相對于原始尺寸的長度變化來衡量的。在材料中可以誘導的應變越大越好，特別是對于諸如醫學成像設備中超聲產生方面的應用。迄今為止達到的這種電應變的*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，研究人員無法設計具有相似或接近電應變值的陶瓷。

      陶瓷材料通常是一種細小的復合材料，隨機取向的金屬氧化物晶體稱為晶粒。當施加電壓時，在每個晶粒內稱為疇的局部區域試圖使其自身朝向所施加的磁場方向生長，進而促使晶粒改變其形狀。晶粒形狀變化的程度取決于稱為“自發晶格應變”的固有性質。這種自發應變越大，顆粒在電場作用下變形的程度就越大。在陶瓷壓電材料中看到的電應變代表了幾千個晶粒伸長的總和。

     然而，大多數壓電陶瓷有一個缺點：當電壓被關閉時，疇仍然停留在其新的結構中，被材料中的缺陷所釘住，并且不能返回到它們的初始狀態。這意味著，當施加電壓第二或第三次時，電應變將急劇減小。

     因此，理想的壓電陶瓷材料不僅應具有大的自發晶格應變，而且還應具有疇的可逆運動。

     為了開發出這樣的材料，Ranjan和他的團隊首先制備了具有較大自發晶格應變的BiBeO3和PbTiO3固溶體。因為這種材料中的疇是不動的，所以他們通過添加不同量的鑭元素來進行化學修飾，以使疇移動。在鑭的某一臨界濃度下，當電壓被切斷時，疇能夠切換回到原來的狀態。

     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反復拉長。”

     在加入臨界濃度的鑭時，該材料也顯示出1.3%的電應變值，這幾乎是迄今報道的陶瓷*高值的兩倍。每次施加電壓時，該值都保持不變。經仔細核對，該材料表現出類似于高性能弛豫鐵電體的納米級性質。

     Ranjan說：“我們的研究成果已經證明，即使在陶瓷中也能實現如此大的電應變，這將會刺激科學家去研發出更多的新型材料。”

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