壓電/電致伸縮設(shè)備

【Technews科技新報】壓電材料是一種被施加電場時會改變形狀的材料，具有廣泛應(yīng)用，其中一個焦點壓電材料陶瓷成本低廉，可惜的是電致應(yīng)變值很低，導(dǎo)致效率不佳?，F(xiàn)在印度科學(xué)家設(shè)計出電致應(yīng)變值比以往還要高 2 倍的新陶瓷壓電材料，將使感測器或驅(qū)動器有更便宜的材料選擇。

壓電效應(yīng)在聲音產(chǎn)生與偵測、高電壓生成、電頻生成、微量天平、光學(xué)元件超細(xì)聚焦等方面有著重要運用，壓電材料種類甚多，如單晶、高分子、薄膜、陶瓷、復(fù)合材料等，受惠于晶格內(nèi)原子特殊排列方式，當(dāng)在壓電材料表面施加電場（電壓）時，材料因應(yīng)力場與電場耦合而會產(chǎn)生「逆壓電效應(yīng)」：電場作用導(dǎo)致電偶極矩被拉長，壓電材料為抵抗變化會沿電場方向伸長（機械形變），實質(zhì)上是電能轉(zhuǎn)化為機械能的過程。

壓電材料種類可以分成壓電單晶體、壓電多晶體（壓電陶瓷）、壓電聚合物、壓電復(fù)合材料等 4 大類；若根據(jù)具體材料形態(tài)，則可以分為壓電體材料和壓電薄膜兩大類，能誘發(fā)的形變越大越好，特別有利于超聲波設(shè)備應(yīng)用。

上述分類中，壓電單晶體因具有大于 1% 的電致應(yīng)變值（electrostrain value）所以效率最佳，多數(shù)為鐵電晶體，比如含氧八面體的鐵電晶體、含氫鍵的鐵電晶體、含層狀結(jié)構(gòu)的鈦酸鉍晶體等；另外也有包括石英、硫化鎘、氧化鋅、氮化鋁等的晶體，其中天然材料（如石英）切割成單晶體后，會在電壓施加時自動壓縮或膨脹，但同時成本高昂且制造困難。

因此 1950 年代以來，研究人員便將另一大焦點放在由多個微小晶體組成的壓電多晶體（壓電陶瓷）身上，其成本相較于壓電單晶體便宜了百倍，但電致應(yīng)變值通常也很低，有一好無兩好。

目前，電致應(yīng)變值最高的材料是一種稱為鐵電弛緩體（relaxor ferroelectrics）的特殊類型，高達(dá) 1.7%，過去研究人員一直無法再突破陶瓷材料的應(yīng)變值，直到現(xiàn)在，陶瓷壓電材料可能有機會出頭天了。

印度科學(xué)理工學(xué)院（IISc）材料工程系副教授 Rajeev Ranjan 設(shè)計出電致應(yīng)變值高達(dá) 1.3% 的陶瓷壓電材料，是迄今為止所有陶瓷材料中最高（高出 2 倍）且最接近壓電單晶體紀(jì)錄的電致應(yīng)變值，Rajeev Ranjan 表示，制作陶瓷的過程與制磚相似，這項設(shè)計將使感測器或驅(qū)動器得以選擇便宜許多的材料。

之前，多數(shù)陶瓷壓電材料有一個大缺點，施加電場時材料發(fā)生應(yīng)變，但電場消失后形狀卻變不回原始狀態(tài)，所以后續(xù)施加第 2 次、第 3 次電場時，電致應(yīng)變值會急劇減少。為了改善這項不可逆缺點，研究團隊首先準(zhǔn)備主要成分為 BiFeO3 和 PbTiO3 的陶瓷材料，接著添加元素鑭（lanthanum）來對上述兩種化合物進行化學(xué)修飾，使得電場關(guān)閉后，材料能跟著回復(fù)原始狀態(tài)。

現(xiàn)在你可以將這種陶瓷壓電材料比喻為橡膠，它和其他材料一樣經(jīng)得起反覆拉伸，但成本大幅下滑。新研究已發(fā)布在《自然-材料》（Nature Materials）期刊。

（首圖為示意圖，來源：百度百科）