科學家設計出新陶瓷壓電材料,電致應變值達 1.3%

作者 | 發布日期 2018 年 05 月 11 日 12:15 | 分類 尖端科技 , 材料 , 材料、設備 follow us in feedly

壓電材料是一種被施加電場時會改變形狀的材料,具有廣泛應用,其中一個焦點壓電材料陶瓷成本低廉,可惜的是電致應變值很低,導致效率不佳。現在印度科學家設計出電致應變值比以往還要高 2 倍的新陶瓷壓電材料,將使感測器或驅動器有更便宜的材料選擇。



壓電效應在聲音產生與偵測、高電壓生成、電頻生成、微量天平、光學元件超細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、複合材料等,受惠於晶格內原子特殊排列方式,當在壓電材料表面施加電場(電壓)時,材料因應力場與電場耦合而會產生「逆壓電效應」:電場作用導致電偶極矩被拉長,壓電材料為抵抗變化會沿電場方向伸長(機械形變),實質上是電能轉化為機械能的過程。

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、壓電複合材料等 4 大類;若根據具體材料形態,則可以分為壓電體材料和壓電薄膜兩大類,能誘發的形變越大越好,特別有利於超聲波設備應用。

上述分類中,壓電單晶體因具有大於 1% 的電致應變值(electrostrain value)所以效率最佳,多數為鐵電晶體,比如含氧八面體的鐵電晶體、含氫鍵的鐵電晶體、含層狀結構的鈦酸鉍晶體等;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)切割成單晶體後,會在電壓施加時自動壓縮或膨脹,但同時成本高昂且製造困難。

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,其成本相較於壓電單晶體便宜了百倍,但電致應變值通常也很低,有一好無兩好。

目前,電致應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 1.7%,過去研究人員一直無法再突破陶瓷材料的應變值,直到現在,陶瓷壓電材料可能有機會出頭天了。

印度科學理工學院(IISc)材料工程系副教授 Rajeev Ranjan 設計出電致應變值高達 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錄的電致應變值,Rajeev Ranjan 表示,製作陶瓷的過程與製磚相似,這項設計將使感測器或驅動器得以選擇便宜許多的材料。

之前,多數陶瓷壓電材料有一個大缺點,施加電場時材料發生應變,但電場消失後形狀卻變不回原始狀態,所以後續施加第 2 次、第 3 次電場時,電致應變值會急劇減少。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修飾,使得電場關閉後,材料能跟著回復原始狀態。

現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得起反覆拉伸,但成本大幅下滑。新研究已發表在《自然-材料》(Nature Materials)期刊。

(首圖為示意圖,來源:shutterstock)