新型壓電材料

新型壓電材料是日本科學技術振興機構與物質材料研究機構的聯合研究小組共同開發出一種基於新原理的壓電材料。這種壓電材料通過增加電場，使物質的晶體結構發生伸縮。這種利用全新原理開發出的壓電材料的電致伸縮效應為歷來同樣材料的40倍。這一成果刊載在12日英國《自然》雜誌網路版材料網頁上。

基本介紹

• 中文名：新型壓電材料
• 性質：材料
• 屬性：新型壓電
• 國家：日本

簡介

迄今為止，壓電材料使用鈦氧鋯鉛（PZT），而此次開發的材料不含鉛成分，可實現高性能，對環境無害的感測器及換能器製造。這種鈦氧鋇系列的壓電材料，是日本物質材料研究機構的研究人員任曉兵開發出的。壓電材料具有增加電壓產生伸縮、增加壓力產生電壓的特性，廣泛套用於電能與機械能互相轉換的換能器製造，是蜂鳴器、噴墨印刷機等不可缺少的材料。

壓電材料利用正離子與負離子的中心移動這一性質，增加電場，使離子輕微移動。但在原理上，最大只能移動0.01%距離。此次研究小組利用新原理開發的壓電材料正離子與負離子中心移動時產生的偶極矩電極化的區域，在增加電場之後沿電壓方向一齊發生變化，實現了可逆性的巨大電致伸縮效應。在理論上可實現最大5%的移動。

該材料套用於超聲成像（特別是醫用超聲成像）、聲納、微驅動器等器件可使其性能有重大提高。

成果

該成果近日將在物理學界權威學術刊物《物理學評論快報》（Physical Review Letters）上發表, 西安交大多學科材料研究中心、電力設備電氣絕緣國家重點實驗室博士研究生劉文鳳為該文第一作者。

迄今為止，這是無鉛壓電材料首次在壓電性能上超越鋯鈦酸鉛陶瓷。與此同時，任曉兵小組提出了有效提高壓電性能的理論，這對開發高性能無鉛壓電材料指明了重要方向並提供了一套有效方法。該項研究成果不僅是無鉛壓電材料領域的突破，而且可能由此引發長期依賴有害的鋯鈦酸鉛的工業界向無鉛壓電材料的變革。

任曉兵教授提出了一個形成大壓電效應的新理論，該理論表明：大壓電性能與鉛並無必要聯繫，鋯鈦酸鉛只是滿足了該理論的要求的一個體系，所有滿足該理論要求的體系都可以產生大的壓電性。基於該理論該研究小組設計開發了一種新的無鉛壓電材料：鋯鈦酸鋇鈣。他們的研究結果顯示：該無鉛壓電材料具有令人驚異的壓電性能，壓電係數高達620皮庫侖/牛頓，這超過了鋯鈦酸鉛的性能（250-590皮庫侖/牛頓）。這是50多年來無鉛壓電材料的性能首次超越壓電材料的經典體系—鋯鈦酸鉛。這項成果對無鉛壓電材料的研究開發具有重要意義，它不僅研發出一種可以和鋯鈦酸鉛相媲美的對環境無害的壓電材料，更重要的是指出了開發大壓電性能材料的新方法。該方法可望導致今後出現更多更好的無鉛壓電材料，從而引發長期使用有害的鋯鈦酸鉛的工業界向無鉛壓電材料的變革。

該項研究得到了國家自然科學基金與“973計畫”項目以及國家外專局/教育部首批學科創新引智（111）計畫項目的支持。