Блог

Jul 15, 2023

Сверхвысокие пьезоэлектрические характеристики, продемонстрированные в керамических материалах

18 мая 2022 г., Джейми

18 мая 2022 г.

Джейми Обердик, Университет штата Пенсильвания

Способность пьезоэлектрических материалов преобразовывать механическую энергию в электрическую и наоборот делает их полезными для различных приложений, от робототехники до связи и датчиков. По мнению группы исследователей из Пенсильванского университета и Мичиганского технологического университета, новая стратегия проектирования для создания сверхвысокоэффективной пьезоэлектрической керамики открывает двери для еще более полезного использования этих материалов.

«В течение долгого времени пьезоэлектрическая поликристаллическая керамика демонстрировала ограниченный пьезоэлектрический отклик по сравнению с монокристаллами», — сказал Шашанк Прия, заместитель вице-президента по исследованиям и профессор материаловедения и инженерии в Пенсильванском университете и соавтор исследования, опубликованного в журнале журнал Advanced Science. «Существует множество механизмов, которые ограничивают величину пьезоэлектричества в поликристаллических керамических материалах. В этой статье мы демонстрируем новый механизм, который позволяет нам увеличить величину пьезоэлектрического коэффициента в несколько раз выше, чем обычно ожидается для керамики».

Пьезоэлектрический коэффициент, который описывает уровень пьезоэлектрического отклика материала, измеряется в пикокулонах на Ньютон.

«Мы достигли почти 2000 пикокулон на Ньютон, что является значительным достижением, поскольку в поликристаллической керамике эта величина всегда была ограничена примерно 1000 пикокулон на Ньютон», — сказала Прия. «В керамическом сообществе 2000 считались недостижимой целью, поэтому достижение этой цифры очень важно».

Путь к открытию нового механизма начался с вопроса: какие факторы контролируют величину пьезоэлектрической постоянной? Пьезоэлектрическая константа — это заряд, создаваемый единицей приложенной силы, пикокулон на Ньютон, который, в свою очередь, зависит от эффектов, происходящих на атомном и мезоуровне.

«Мы задавались вопросом, каковы некоторые основные эффекты, почти на атомном уровне, фундаментальных параметров, которые ограничивают или контролируют реакцию?» - сказала Прия. «Используя многомасштабную модель, разработанную в Мичиганском технологическом институте и представляющую собой комбинацию различных методов моделирования для преодоления масштаба длины, мы провели очень детальное исследование двух явлений».

Одним из них была химическая гетерогенность, которая описывает, как атомы различных элементов в материале распределяются на наноуровне. Это важно, поскольку различные положения атомов и места, которые они занимают, имеют решающее значение для пьезоэлектрического отклика. Второе — анизотропия, влияние кристаллографической ориентации. Это важно, поскольку пьезоэлектрические свойства материала выше в определенном кристаллографическом направлении.

«Представьте, что материал подобен кубу: куб имеет разные оси, диагональ грани и диагональ тела, и поэтому пьезоэлектрический отклик меняется во всех этих разных направлениях», — Ю У. Ван, профессор материаловедения и инженерии Мичиганского технического университета. Университет, сказал. «Итак, мы показываем, что, выравнивая все зерна керамического материала по определенным кристаллографическим осям, мы можем получить очень высокий пьезоэлектрический отклик. Мы создали очень высокую степень локальной неоднородности и очень высокую ориентацию зерен в керамическом материале. и сочетание этих двух основных управляющих параметров привело к высокому пьезоэлектрическому отклику в керамике».

Исследователи обнаружили, что если добавить в керамику небольшое количество редкоземельного элемента европия, европий займет угол кубической решетки. Это создает химическую неоднородность материала, необходимую для высокого пьезоэлектрического отклика. Исследователи смогли еще больше усилить реакцию, сориентировав 99% кристаллических зерен.

По словам Юнке Яна, доцента кафедры материаловедения и инженерии и ведущего автора этого исследования, комбинация этих двух эффектов ранее не изучалась.