电应变值高达1.3%的新型陶瓷材料将大大降低压电设备成本

      压电材料在外加电场下可以改变其形状，其在纸上油墨印刷和扫描隧道显微镜的*移动*等方面具有广泛的应用。目前，*有效的压电材料是单晶格压电材料，因为它们具有较大的电应变值（＞1%），电应变值标志着材料在施加电场时所能产生形变量大小。然而，它们非常昂贵且难以制造。由多个微小晶体组成的陶瓷压电材料至少比其便宜一百倍，且易于批量生产，但它们通常具有非常低的电应变值。

     印度科学院（IISC）的研究人员*设计了一种陶瓷材料，其能够达到迄今为止陶瓷*高的1.3%的电应变值，并且*接近单晶的电应变值记录。

     负责这项研究的IISc材料工程系副教授Rajeev Ranjan说：“陶瓷的制造过程和砖头十分相似，这可使得致动器和换能器行业在高端应用方面，可选择比单晶更便宜的材料。”

     这项研究发表在《自然材料》Nature Materials杂志上。

     当石英等天然材料被切割为单晶后，当施加电压时，其可以自动压缩或膨胀。然而，它们的制造成本高且复杂。自20世纪50年代以来，焦点已经转向更便宜的铁电基陶瓷混合金属氧化物。这些陶瓷在其制备过程中不具有压电性，但可以通过施加强电压来实现。

      当电场施加到压电材料晶体或陶瓷上时，它会产生一种应变，其是由相对于原始尺寸的长度变化来衡量的。在材料中可以诱导的应变越大越好，特别是对于诸如医学成像设备中超声产生方面的应用。迄今为止达到的这种电应变的*高值是1.7%，它来自一种被称为弛豫铁电体的特殊类型铅基材料单晶。到目前为止，研究人员无法设计具有相似或接近电应变值的陶瓷。

      陶瓷材料通常是一种细小的复合材料，随机取向的金属氧化物晶体称为晶粒。当施加电压时，在每个晶粒内称为畴的局部区域试图使其自身朝向所施加的磁场方向生长，进而促使晶粒改变其形状。晶粒形状变化的程度取决于称为“自发晶格应变”的固有性质。这种自发应变越大，颗粒在电场作用下变形的程度就越大。在陶瓷压电材料中看到的电应变代表了几千个晶粒伸长的总和。

     然而，大多数压电陶瓷有一个缺点：当电压被关闭时，畴仍然停留在其新的结构中，被材料中的缺陷所钉住，并且不能返回到它们的初始状态。这意味着，当施加电压第二或第三次时，电应变将急剧减小。

     因此，理想的压电陶瓷材料不仅应具有大的自发晶格应变，而且还应具有畴的可逆运动。

     为了开发出这样的材料，Ranjan和他的团队首先制备了具有较大自发晶格应变的BiBeO3和PbTiO3固溶体。因为这种材料中的畴是不动的，所以他们通过添加不同量的镧元素来进行化学修饰，以使畴移动。在镧的某一临界浓度下，当电压被切断时，畴能够切换回到原来的状态。

     Ranjan说：“因此，我们的材料可以被比喻成一种橡胶，它可以在每次拉伸时反复拉长。”

     在加入临界浓度的镧时，该材料也显示出1.3%的电应变值，这几乎是迄今报道的陶瓷*高值的两倍。每次施加电压时，该值都保持不变。经仔细核对，该材料表现出类似于高性能弛豫铁电体的纳米级性质。

     Ranjan说：“我们的研究成果已经证明，即使在陶瓷中也能实现如此大的电应变，这将会刺激科学家去研发出更多的新型材料。”

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