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研究破解:稀土材料可解决压电陶瓷性能提升难题

作者:中国工陶 更新时间:2022-05-24 10:02 来源:粉体圈 点击数:423

近日,没有宾州大学和密歇根理工大学的一个研究小组发现一种用于制造超高性能压电陶瓷的新设计策略,这将可以制备出比通常预期更高压电系数的压电陶瓷。该研究发表在“AdvancedScience”期刊上。


论文地址:

https://doi.org/10.1002/advs.202105715


“长期以来,与单晶相比,压电多晶陶瓷表现出有限的压电响应,”宾夕法尼亚州立大学研究副总裁兼材料科学与工程教授ShashankPriya说,“我们实现了每牛顿近2000微微库仑,这是一个重大进步,因为在多晶陶瓷中,这一量级一直被限制在每牛顿1000微微库仑左右。”Priya说,“2000年在陶瓷界被认为是一个遥不可及的目标,因此实现这一数字非常引人注目。”

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增强压电效应的唯象图解和相场模拟

发现新机制的途径始于一个问题:什么因素控制压电常数的大小?一种是化学非均质性,它描述了材料中不同元素的原子是如何在纳米尺度上分布的。这一点很重要,因为不同的原子位置及其所占据的位置对压电响应至关重要。第二个是各向异性,即晶体取向的影响。这一点很重要,因为材料中的压电特性沿特定晶体方向更高。

密歇根理工大学材料科学与工程教授王宇(Yu.Wang)说:“想象一下,材料就像一个立方体,立方体有不同的轴、面对角线和体对角线,因此压电响应在所有这些不同的方向上都会发生变化。”。“因此,我们表明,通过将陶瓷材料中的所有晶粒沿特定晶体学轴对齐,我们可以获得非常高的压电响应。我们在陶瓷材料中创造了非常高的局部异质性和非常高的晶粒取向,这两个基本控制参数的组合导致了陶瓷中的高压电响应。”

研究人员发现,如果在陶瓷中加入少量稀土元素铕,铕将占据立方晶格的一角。这在材料中产生了化学不均匀性,这是高压电响应所必需的。研究人员通过使99%的晶粒定向,能够进一步放大反应。证明该概念包括通过扫描陶瓷材料收集透射电子显微镜数据,并结合能量色散X射线光谱(EDS)技术。EDS可以确定存在哪些化学元素,并使研究人员能够在单原子水平上“看到”陶瓷中存在铕,从而使其具有高压电响应所需的异质性。

这些发现有可能导致改进甚至新型压电材料,以及各种新的致动器和传感器应用。这可能意味着更好的机器人、传感器、变压器、超声波电机和医疗技术。此外,由于研究中的超高压电陶瓷可以使用传统的多层制造工艺进行加工,因此材料将具有成本效益和可扩展性。