記者從甬江實(shí)驗(yàn)室獲悉,該實(shí)驗(yàn)室任曉兵團(tuán)隊(duì)研制的基于廉價(jià)多晶鋯鈦酸鉛、采用獨(dú)特“主動(dòng)工作模式”的壓電陶瓷,其壓電系數(shù)最高達(dá)到6850pC/N。這標(biāo)志著一類兼具超高性能與工程實(shí)用潛力的“超級壓電陶瓷”正式誕生。相關(guān)成果1月29日在線發(fā)表于國際期刊《科學(xué)》。
壓電材料是智能時(shí)代關(guān)鍵功能材料之一,作為力電信號轉(zhuǎn)換的核心載體,廣泛應(yīng)用于各類精密智能設(shè)備的底層架構(gòu)。衡量這項(xiàng)“敏感”與“力量”的關(guān)鍵指標(biāo),稱為壓電系數(shù)(d??)。這一數(shù)值越高,材料的力電耦合轉(zhuǎn)換性能越優(yōu)異。然而,過去70余年,這項(xiàng)指標(biāo)的發(fā)展并未取得根本性突破。
傳統(tǒng)壓電材料須依賴強(qiáng)電場極化,使內(nèi)部偶極子取向一致以產(chǎn)生宏觀響應(yīng),但溫度一旦逼近居里溫度(Tc),熱擾動(dòng)會(huì)迅速打亂這種有序,壓電性能完全喪失。而這座“性能珠峰”的坐標(biāo),偏偏落在Tc處——傳統(tǒng)壓電材料的“死亡溫度”。
面對“一近巔峰就失效”的難題,任曉兵團(tuán)隊(duì)做出了大膽的逆向思考:能否有一種方法,讓材料能在傳統(tǒng)的“死亡溫度”下“維持生命”并高效工作?為此,團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)了壓電器件的“主動(dòng)工作模式”。他們內(nèi)置“智能溫控”,通過集成微區(qū)熱管理,將壓電材料溫度精確穩(wěn)定在理論奇點(diǎn)上。同時(shí),團(tuán)隊(duì)進(jìn)行實(shí)時(shí)“壓電生命維護(hù)”,施加一個(gè)微小的偏置電場(約20 V/mm),持續(xù)引導(dǎo)材料內(nèi)部億萬電偶極子一致排列,抵消熱擾動(dòng)的破壞。
最終,基于該模式的主動(dòng)壓電器件在室溫至350攝氏度范圍內(nèi)保持d?? > 6000 pC/N的穩(wěn)定輸出,且該性能原則上可延伸至極低溫或超高溫。

“這就像人體正常體溫須維持在37攝氏度左右,偏離一定范圍就會(huì)生病甚至喪失機(jī)能。但有了宇航服和空間站,即使在太空這樣的極端工況中,人類也能執(zhí)行各項(xiàng)任務(wù)。該主動(dòng)壓電器件也是如此,相當(dāng)于給材料穿上‘宇航服’,讓它穩(wěn)定發(fā)揮。”甬江實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)智能材料研究中心主任、上席研究員任曉兵說。
據(jù)介紹,該項(xiàng)研究被審稿人譽(yù)為“革命性發(fā)現(xiàn)”,有望為下一代微型機(jī)器人、細(xì)胞級超聲成像與高保真觸覺交互等方向提供關(guān)鍵材料支撐,主動(dòng)壓電器件新范式將對功能材料領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)啟示。
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