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100多年来的重大突破!中国研发新型压电材料,再次遥遥领先?

类别:科技 发布时间:2024-04-11 11:08:00 来源:知识TNT

今年3月29日,我国科学家宣布研发出了一种新的压电材料。这可是从1880年至今,压电领域最大的一次技术突破!

这种压电材料究竟是什么?对我们的生活有什么用呢?

100多年来的重大突破!中国研发新型压电材料,再次遥遥领先?

要想了解这种新型的压电材料,就要先知道什么是压电效应。实际上,虽然听起来很陌生,但压电效应的应用,已经渗透到了生活的方方面面。

还在19世纪,居里兄弟就研究发现,对一些晶体材料施加压力后能产生电荷。

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受力方向一致,这一作用产生的形变,会在其内部生成极化现象。把施加的外力撤销以后,这一现象便不复存在。

在后来的区分和定义中,这被称之为正压电效应。相对应的肯定就会有反向的,不过在该领域的研究中,与之相对应的叫逆压电效应。

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用一种不准确但比较形象的解释就是,压电效应所对应的,就好比一种信号的有效传输。

按下煤气灶的开关就会有火,或是其他一些日常生活中常用的传感器设备,其实就是压电效应的实际应用。

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但是,不是任何材料都通过施加压力产生电。而且即便是能产生效应的材料,具体产生的效果和作用也有一定的差异。

所以,伴随着一个多世纪压电效应应用的,还有对压电材料的寻找和研究。

最早实验中所用的压电材料,比如电气石、罗谢尔盐、石英等材料,它们都属于天然的单晶体材料。

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通过随后找到的新材料,两相对比也发现,上述的单晶体材料,其相对应产生的压电效应是比较小的。

随着寻找的范围逐渐扩大,锆钛酸铅、钛酸钡等等多晶铁电陶瓷,它们能产生更高的电压。

也就是说,在新材料的找寻和应用中,能够更高的适应反应的材料,其在实际作用中的价值更大。

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目前,像锆钛酸铅压电陶瓷材料,它发现并被应用的种类很多。生活中,需要使用到的传感器设备领域,以及某些促动器,使用正是该类型材料。

具体来看,这类材料中携带的镍、铋、钕、铌等特殊的物质,可以在一定程度上优化压电和介电参数。

除此之外,多年来对压电材料的寻找和应用,对其特性也有了更明确的要求。

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同时,这类型的材料要有一定的强度,并且刚度要好,因为只有强度好,才能在使用中承受更多次的按压。

在转化性能上,其产生的压电常数要不低于D33,参数要符合一定的转化性能,才能在应用中发挥更好的作用。

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电性能上,该类型的材料要具备较高的电阻率和介电常数,如果达不到要求的话,加载驱动电场就有可能将其击毁。

还有一点,是要有极强的环境适应性。因为压电效应作用应用场景广泛,很多应用场景中温度湿度变化都很强烈。

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在这种情况下,材料本身的综合性能表现要优异,工作时的温度范围也要尽量宽。

最后,便是使用的寿命长度和时间的稳定性。压电性能要具备长时间的稳定性,不能随着时间的变化而改变。

所以综合来看,材料本身要尽可能的符合压电性能,同时在使用中又要具备极强的适应能力。

那么,这类压电材料,目前都具体应用在了哪些方面呢?

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家里用的电磁炉,每天按压数次,一年按压的次数可高达数千次。小小开关的背后,就存在压电效应,并且也用到了压电材料。类似于电磁炉等家用电器,通常在开关设置上,都会应用到压电材料和压电效应。

如果使用的材料不够好的话,可能使用不了多久开关就彻底失效了。这就是为什么,需要压电材料的各项性能都要优异的缘故。

你千万别以为压电材料的应用,只能围绕日常生活进行,它在医疗设备领域的应用,也有很广泛的使用空间。

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救治重症病患的呼吸机,设备上也有压电效应和压电材料的应用。

呼吸机上的关键零部件压电阀,它就是利用压电效应,能够对氧气作用于病患身上,实现极其精准的控制。压电阀的制造,就需要使用到压电陶瓷材料。

医疗设备的应用不同于日常用设备,尤其呼吸机对应的患者往往都是生命垂危的人,在使用中一方面要精准,另一方面设备工作还不能对病患造成干扰。

而呼吸机上压电阀工作启动后,它在切换模式中是保持全程静音状态的。所以说,这类压电材料的应用,其适应环境场景的能力就更严苛。

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除了呼吸机,疫情期间人人都戴口罩,而口罩的生产就达到了超负荷的状态。自动化的口罩机器生产,它在高强度的工作状态下,也要使用要压电效应和压电材料。

具体的应用是在口罩的焊接,在具体的工作过程中,振荡电路连续不断输送出高频电信号,压电材料会将这一信号转化成为机械振动。

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口罩生产需要运用压电材料,而在心电监测仪器中,压电材料更是其中的核心元器件。

这类超声医疗设备,借助于压电材料的综合构成,可实现对人体器官运动信息的精准捕捉。

综合来看,各类设备产品中,哪里会出现压电效应,哪里就得需要压电材料的应用,所以其应用场景相当的广泛。

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也正因为如此,寻找更好的材料,就成为科研工作者始终不断在进行的工作。

3月底,权威期刊《科学》上,刊登了我国东南大学研究人员的一项成果。研究人员新开发的材料,具备了可生物降解的特性。

具体来看,研究人员开发出了一种有机铁电晶体材料,铁电化学和生物电子学,创造性的运用于一起。

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有了这种新的材料,未来将能应用于一类特殊的医疗设备领域。这个领域,便是需要植入体内的电子器件。

医疗领域的植入式电子设备,它在工作的时候也会应用到压电效应,这样同样也需要压电材料随同设备被一起植入体内。

此前,这类设备所使用到的材料,都是常规的压电陶瓷材料以及压电聚合物材料,它们以一种异物的属性进入人体内部,既不会融合也不可降解。

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一旦设备超过了使用期限,往往还需要通过手术才能将设备移除。所以对使用的患者来说,就增加了二次甚至多次的手术风险。

东南大学研究人员考虑的方向,正是将传统的压电材料与可生物降解的特性联系起来。这样一来,设备在植入体内后,随着时间的延长,能够自行降解而不会给身体造成未知影响。

可是,既要能实现压电效应,又要具备可降解的特性,这样的材料不是简简单单就能找到的。

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研究人员最终通过合成,找到了一种分子铁电材料。材质整体轻量化,而且易于加工,重要的是它的压电性能以及生物相容性能都很不错。

未来这种材料作为压电材料植入体内,植入式电子器件的发展,势必将会迎来一场重大的革新。

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从心脏病领域应用的起搏器,再到人工耳蜗,以及脑深层刺激手术等等,植入式设备目前在医疗领域的应用越来越广泛。

抛开设备的材料构成不谈,这些设备在进入人体内部后,又是依靠什么才能完成和外部的通联和数据传送呢?

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目前植入式设备的材料,除了金属和陶瓷之外,还会运用到很多聚合物材料。材料本身要符合应用性能,一旦开启工作后还要完成数据的传送。

国外的科研人员发现了一种新的传送技术,人体内的细胞利用交换离子来完成沟通,研究人员便利用这一特性。

通过随设备植入体内的电极,此后就能将数据编码交替生成电脉冲,其可以存在于人体内的离子中。

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设备运转时,再将另外一对电极放置于身体外,就能接收到内部的信息,并再通过解码生成可见的数据。哪怕植入体内的设备深度超过10公分,数据的传输也不会受影响。

从应用的场景看,随着未来植入式的设备应用越发广泛,不管是可生物降解的材料,还是能够良好传输数据的技术,其应用面都会越来越宽。

100多年来的重大突破!中国研发新型压电材料,再次遥遥领先?

压电效应和压电材料在实际应用中,多年来的研究,都是围绕其综合性能不断提升来进行的。

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这其实也是科学研究的主要方向,人类的生活之所以能发生日新月异的变化,都得益于这类技术的日日更新和进步。

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快照生成时间:2024-04-11 14:45:13

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