压电/电致伸缩设备

【Technews科技新报】压电材料是一种被施加电场时会改变形状的材料，具有广泛应用，其中一个焦点压电材料陶瓷成本低廉，可惜的是电致应变值很低，导致效率不佳。现在印度科学家设计出电致应变值比以往还要高 2 倍的新陶瓷压电材料，将使感测器或驱动器有更便宜的材料选择。

压电效应在声音产生与侦测、高电压生成、电频生成、微量天平、光学元件超细聚焦等方面有着重要运用，压电材料种类甚多，如单晶、高分子、薄膜、陶瓷、复合材料等，受惠于晶格内原子特殊排列方式，当在压电材料表面施加电场（电压）时，材料因应力场与电场耦合而会产生「逆压电效应」：电场作用导致电偶极矩被拉长，压电材料为抵抗变化会沿电场方向伸长（机械形变），实质上是电能转化为机械能的过程。

压电材料种类可以分成压电单晶体、压电多晶体（压电陶瓷）、压电聚合物、压电复合材料等 4 大类；若根据具体材料形态，则可以分为压电体材料和压电薄膜两大类，能诱发的形变越大越好，特别有利于超声波设备应用。

上述分类中，压电单晶体因具有大于 1% 的电致应变值（electrostrain value）所以效率最佳，多数为铁电晶体，比如含氧八面体的铁电晶体、含氢键的铁电晶体、含层状结构的钛酸铋晶体等；另外也有包括石英、硫化镉、氧化锌、氮化铝等的晶体，其中天然材料（如石英）切割成单晶体后，会在电压施加时自动压缩或膨胀，但同时成本高昂且制造困难。

因此 1950 年代以来，研究人员便将另一大焦点放在由多个微小晶体组成的压电多晶体（压电陶瓷）身上，其成本相较于压电单晶体便宜了百倍，但电致应变值通常也很低，有一好无两好。

目前，电致应变值最高的材料是一种称为铁电弛缓体（relaxor ferroelectrics）的特殊类型，高达 1.7%，过去研究人员一直无法再突破陶瓷材料的应变值，直到现在，陶瓷压电材料可能有机会出头天了。

印度科学理工学院（IISc）材料工程系副教授 Rajeev Ranjan 设计出电致应变值高达 1.3% 的陶瓷压电材料，是迄今为止所有陶瓷材料中最高（高出 2 倍）且最接近压电单晶体纪录的电致应变值，Rajeev Ranjan 表示，制作陶瓷的过程与制砖相似，这项设计将使感测器或驱动器得以选择便宜许多的材料。

之前，多数陶瓷压电材料有一个大缺点，施加电场时材料发生应变，但电场消失后形状却变不回原始状态，所以后续施加第 2 次、第 3 次电场时，电致应变值会急剧减少。为了改善这项不可逆缺点，研究团队首先准备主要成分为 BiFeO3 和 PbTiO3 的陶瓷材料，接着添加元素镧（lanthanum）来对上述两种化合物进行化学修饰，使得电场关闭后，材料能跟着回复原始状态。

现在你可以将这种陶瓷压电材料比喻为橡胶，它和其他材料一样经得起反覆拉伸，但成本大幅下滑。新研究已发布在《自然-材料》（Nature Materials）期刊。

（首图为示意图，来源：百度百科）