新材料的“革命性发现” 在压电材料中安装“温度室”，性能提升10倍以上

“这项研究的深远意义在于它是一场‘范式革命’。邕江研究院智能材料研究中心主任、首席研究员任小兵近日在论文中介绍了该团队取得的重大进展。 （www.thepaper.cn）。当地时间1月29日，国际主流杂志《科学》在网上以“首发”的形式公布了任晓斌团队的革命性成果。他们将多晶压电陶瓷的核心性能指标压电系数显着提高了10倍以上，创造了“超压电陶瓷”。并创造了有源压电器件的新范例，使材料能够在“性能珠穆朗玛峰”中稳定工作。这一进步意味着一些以前被认为是科幻小说的应用场景已经获得了重要的物质支持，并且在不久的将来可能触手可及。新一代B-超声波可以识别以前看不见的癌细胞，昆虫大小的微生物机器人可以自主飞行，人形机器人的手指可以有真正的触觉反馈。评论家称赞这项研究是“革命性的发现”，有望重塑高端传感器、精准驾驶和智能交互的技术格局。原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.aec5660 “死亡温度”还是“性能奇点”？压电材料是一类在机械应力作用下产生电荷并在外电场作用下发生形变的功能材料。通俗地说，它类似于“双向电源到电源转换器”。任小兵表示，压电材料是智能时代的基础材料。从手机中的指纹识别到现场医疗中的B超成像、光刻机纳米级定位工业领域的y机、军事领域的水下声纳探测等都需要压电材料的机电信号转换能力。衡量压电材料性能的核心指标是压电系数（d33），它是压电材料的“性能核心”。r值越高，灵敏度越高，功耗越低，驱动效率越高，功率转换损耗越低。压电材料开发过程中的首次性能突破出现在 20 世纪 50 年代左右，随着多晶锆钛酸铅 (PZT) 陶瓷的推出。此后，作为应用最广泛的压电材料，其性能始终固定在200~600 pC/N范围内，几十年来没有根本性突破。 20世纪80年代出现了性能高达2000pC/N的高端压电单晶，但价格却相当昂贵。与黄金相比，其稳定性差、脆性高，难以大规模应用。 “‘超压电陶瓷’的到来是压电材料性能的第二次飞跃。”任小兵介绍说，其团队基于经济型多晶锆钛酸铅，采用“主动操作模式”开发的压电陶瓷，压电系数高达6850 pC/N。该值不仅比传统压电陶瓷高10至30倍，而且超过了所有已知最好的单晶材料。如何理解任小斌团队提出的“主动工作模式”？在传统压电行业中，存在着一个“临界相变点”，即压电材料的居里温度（Tc），必须避免。随着临界点的接近，内部电偶极子的排列会因热扰动而迅速改变，压电性能也会发生变化。几乎完全消失，使恢复变得困难。这被称为传统压电材料的“死点温度”。为了保证压电材料的长期稳定运行，近70年来所有的工程设计都采用了被动模式。这意味着一旦材料在制造过程中被强电场极化，在器件运行过程中就不再主动控制温度和电场。材料的工作温度应限制在远离 Tc 的范围，因为材料的性能会随着温度的变化而波动或衰减。 2009年，任小兵在国际物理学杂志《物理评论快报》上发表论文。他提出了一种未来预测理论，其中压电材料相图中多个相的交叉点存在“三临界点”或“热力学奇点”。在这个位置，相之间不存在能量势垒es，并且材料对电场和外部场的响应理论上接近无穷大，这对应于压电性能的“珠穆朗玛峰”。 “经过很多同学的努力，所有的实验结果都表明‘珠穆朗玛峰’的性能是可以存在的。但按照传统的被动模式进行缩放时，在达到‘珠穆朗玛峰’的热力学奇点之前，性能会有所下降。”任晓斌回忆道。任晓斌（左），邕江研究所提供。大胆的思路逆转 面对“见顶即失效”的问题，任晓斌团队提出了大胆的思路逆转：有没有办法让材料在传统的“死亡温度”下“维持生命”并高效发挥作用？转折点是2023年。那一年，任小兵教授提出了一种名为“主动模式”的压电控制技术新原型。此后，团队在va中经历了多次测试和优化经过样品、设备等多方面的努力，最终压电系数提高到了6000pC/N以上。 “当性能达到6000 pC/N时，我们非常兴奋。只有超过这个值，我们才能有把握地说已经取得了‘个位数’的进步。”任晓斌团队研究员郝彦轩说。 “主动工作模式”需要内置“智能温度控制”，通过集成微区热管理将压电材料的温度精确稳定在理论奇点。同时，实时进行“压电寿命维持”，通过施加小极化电场（约20 V/mm）持续引导材料内数亿个电偶极子一致排列，消除热扰动造成的损坏，动态地将材料“锁定”到热力学奇点，即“E”性能。verest”。即使在室温至350℃的极宽温度范围内，也能稳定输出d33 6000 pC/N。主动工作模式下压电控制技术的主要框图以及该模式下从室温到350°C的QP陶瓷的压电系数。在较宽的环境温度范围内保持稳定。保持性。主动操作模式包括控制模块温度和偏振模块，可以与攀登珠穆朗玛峰所需的隔热服和氧气瓶进行比较。任小兵表示，这项研究的深刻意义在于“范式革命”。通过外部控制系统（温度、电场）实时优化。两种新型应用 任小兵表示，超压电陶瓷的产业化路径已经明确。主动模式的原理已经经过实验验证。未来，工程团队将推动器件尺寸、结构、集成的优化n 满足更广泛应用需求的方法。任小兵将未来的产业应用路线概括为两类。一是现有应用场景的升级。例如，光刻设备的纳米级定位精度提高了一个数量级。在机器人领域，触觉反馈的灵敏度也将显着提高。此外，超声波等现有技术也可以因此得到显着改进。任晓兵表示，现有的B超图像对于识别早期、更准确的癌细胞的能力有限。随着材料和设备的性能提高几个数量级，相关的图像分辨率能力和显示细节有望进一步提高。另一种类型创建了以前难以实现的新应用程序。以昆虫飞机为例，任晓斌指出，目前的压电陶瓷往往需要数百个驱动昆虫飞机需要100伏电压，这意味着需要外接更大的高压电源，难以实现真正的自主飞行。如果压电性能提高约10倍，小型、便携式和自主飞行将成为可能。
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