近日，甬江實驗室任曉兵教授團隊研發出一種超級壓電陶瓷，開創了主動壓電器件新範式，讓材料穩定工作在“性能珠峯”[1]。該團隊將多晶陶瓷的壓電係數 d₃₃ 提升至約 6,850pC/N，較商用 PZT 陶瓷高 10-30 倍，也優於昂貴的弛豫鐵電單晶 2-4 倍，成功突破了困擾領域七十餘年的性能瓶頸。
更值得關注的是，通過主動模式設計，該超級壓電陶瓷的超強性能可在室溫至 350℃的寬溫區間內持續保持穩定，完全不受外界溫度變化的影響。
圖｜主動模式和被動模式原理示意圖（來源：https://www.science.org/doi/10.1126/science.aec5660）
這一性能突破，爲諸多前沿領域的技術升級開闢了新路徑：昆蟲級微型機器人可憑藉其獲得更強的驅動“肌肉”和更敏銳的傳感“觸覺”，從而完成更復雜的任務。虛擬現實、增強現實設備可以通過它實現更逼真、更細膩的觸覺反饋，讓虛擬世界的觸感體驗成爲現實。
圖 | 任曉兵（來源：受訪者）
陶瓷超能力來自一個神奇的點
壓電材料是現代功能材料中至關重要的一類，已深入日常生活與高科技領域。例如，手機的指紋識別、汽車倒車雷達與泊車輔助系統中的距離傳感、乃至光刻機中納米級精度的位移控制，都依賴於壓電材料。
它既能作爲傳感器將力學信號轉換爲電信號，也能作爲驅動器將電能轉化爲精準的機械運動。全球壓電器件產業規模已達數百億美元，且隨着智能化時代的到來，其作爲物理世界與數字世界接口的角色愈發關鍵。
一直以來，人們都想讓這種材料變得更強和更靈敏，但是遇到了兩大難題：一是材料本身的壓電效應十分微弱；二是做成實用的多晶陶瓷之後，內部大量電偶極子的取向紊亂，很難讓它們的力量完全一致對外，導致整體性能大打折扣。
這次，該團隊換了一個思路：不再和材料本身的脾氣硬碰硬，而是給其創造一個能夠完美髮揮的工作環境。他們在傳統鋯鈦酸鉛壓電陶瓷中找到了一個在溫度和在成分相圖上極爲特殊的點——四相點。這是一個熱力學上的奇點，在這個點上，材料的四種不同晶體結構（立方、四方、單斜、菱方）可以和平共存，達到了一個熱力學上的臨界狀態，就像讓水、冰、水蒸氣同時穩定存在一樣。
只找到這個點還不夠，因爲這個狀態一般很不穩定，只有在特定的高溫下才會瞬間出現。爲此，他們想到了一個稱作主動模式的控制方法。他們爲這塊陶瓷量身打造了一個“智能工作艙”。
這個工作艙裏有一個微型恆溫器，無論外界是冷是熱，它都能把陶瓷內部的溫度精確維持在 350 ℃這個四相點溫度上。同時，還給陶瓷加上一個穩定的微小直流電場，讓陶瓷內部所有電偶極子的取向保持一致。
藉助這一設計，陶瓷就始終被鎖定在性能峯值的奇異狀態。團隊還特製了隔熱連桿，既能讓工作艙內的機械動作幾乎無損耗地向外傳遞，滿足驅動與感知的實際應用需求，又能徹底隔絕外界溫度變化對艙內的影響。在“智能工作艙”的加持下，這款陶瓷的壓電性能實現了質的飛躍。
（來源：https://www.science.org/doi/10.1126/science.aec5660）
採訪中，任曉兵還展示了一個形象的 3D 打印地形模型，生動詮釋了壓電材料的發展歷程：1880 年發現的石英等初代壓電材料如海邊沙地（d₃₃<10 pC/N）；1950 年代 PZT 陶瓷的發現如同發現了一座高山腳下的山脊，實現了十倍提升（d₃₃~200-600 pC/N）；而過去七十多年，人們一直在這座高山的山脊上艱難攀爬，無法突破上方因材料死亡而形成的無形屏障；直到本次工作，通過主動模式裝備，終於登上了那座理論預言已久、但從未有人抵達的性能“珠峯”。
目前，基於主動模式設計的超級壓電陶瓷原型裝置，在微型化方面仍有提升空間；未來隨着集成技術的不斷進步，其體積可縮小至米粒級，從而實現各類設備的嵌入式集成應用。如同當下電子器件中廣泛應用的恆溫晶振一般，未來這款主動模式的超級壓電陶瓷，有望成爲高端精密設備的核心元件。
圖 | 團隊合影（來源：受訪者）
總的來說，這項研究不僅實現了壓電材料性能的歷史性突破，更提供了一種從優化材料到創造最佳工作環境的創新研發範式，其影響力有望輻射至衆多功能材料與器件領域。甬江實驗室郝彥雙研究員、日本 NIMS 的 Dipak Kumar Khatua 博士、西安交通大學王棟教授和高景暉教授爲共同第一作者；甬江實驗室任曉兵研究員、任帥研究員與西安交通大學楊陽副教授爲共同通訊作者。
參考資料：
1.https://mp.weixin.qq.com/s/7K5zvsVna_fUnu-_MnBmmQ
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https://www.science.org/doi/10.1126/science.aec5660
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