Performanță piezoelectrică ultra-înaltă demonstrată în materiale ceramice

z (normalizat prin polarizarea saturată Ps) de-a lungul direcției de polarizare z pentru policristale aleatoare și texturate, unde insertul arată incrementul d33 corespunzător. E) Distribuția de polarizare simulată în câmpul de fază a [001]Policristal PMN-PT PC-texturat cu 5% eterogenități (dopate) după polarizarea electrică de-a lungul direcției z. F) Simularea câmpului de fază al polarizării remanente Pra permisivității dielectrice ε33 iar coeficientul piezoelectric longitudinal d33 pentru policristale nedopate, dopate și dopate + texturate. Notă: x, y și z sunt definite în „coordonată de laborator”, în timp ce direcțiile marcate între paranteze drepte sunt definite în „coordonată cristalografică”, iar z este direcția de polarizare care coincide cu [001] pentru [001]PC-policristal texturat în simulările noastre. Credit: Științe avansate (2022). DOI: 10.1002/advs.202105715″ width=”800″ height=”530″/>

Ilustrarea fenomenologică și simularea câmpului de fază a piezoelectricității îmbunătățite prin eterogenitatea structurală locală și ingineria texturii. A) Energia liberă Landau a feroelectricilor cu fracțiune de volum diferită de eterogenitatea structurală locală. B) Distribuție simulată de polarizare a câmpului de fază a PMN-PT cu eterogenități de 5%. C) Diagrama schematică a distribuțiilor orientării granulelor în policristale aleatoare și texturate. D) Profiluri de energie liberă Landau în raport cu componenta de polarizare Pz (normalizat prin polarizarea saturată Ps) de-a lungul direcției de polarizare z pentru policristale aleatoare și texturate, unde insertul arată d corespunzătoare33 creştere. E) Distribuția de polarizare simulată în câmpul de fază a [001]PC-policristal PMN-PT texturat cu 5% eterogenități (dopat) după polarizarea electrică de-a lungul direcției z. F) Simularea câmpului de fază a polarizării remanente Prpermitivitatea dielectrică ε33și coeficientul piezoelectric longitudinal d33 pentru policristale nedopate, dopate și dopate+texturate. Notă: x, y și z sunt definite în „coordonată de laborator”, în timp ce direcțiile marcate între paranteze drepte sunt definite în „coordonată cristalografică”, iar z este direcția de polarizare care coincide cu [001] pentru [001]PC-policristal texturat în simulările noastre. Credit: Științe avansate (2022). DOI: 10.1002/advs.202105715

Capacitatea materialelor piezoelectrice de a converti energia mecanică în energie electrică și invers le face utile pentru diverse aplicații, de la robotică la comunicații la senzori. O nouă strategie de design pentru crearea ceramicii piezoelectrice de înaltă performanță deschide ușa către utilizări și mai benefice pentru aceste materiale, potrivit unei echipe de cercetători de la Penn State și Michigan Technological University.

„De mult timp, ceramica policristalină piezoelectrică a arătat un răspuns piezoelectric limitat în comparație cu cristalele simple”, a spus Shashank Priya, vicepreședinte asociat pentru cercetare și profesor de știința și inginerie a materialelor la Penn State și coautor al studiului publicat în jurnal. Științe avansate. „Există multe mecanisme care limitează mărimea piezoelectricității în materialele ceramice policristaline. În această lucrare, demonstrăm un nou mecanism care ne permite să creștem mărimea coeficientului piezoelectric de câteva ori mai mare decât ceea ce este de așteptat în mod normal pentru o ceramică”.

Coeficientul piezoelectric, care descrie nivelul de răspuns piezoelectric al unui material, este măsurat în picocoulombs per Newton.

„Am atins aproape 2.000 de picocoulombi pe Newton, ceea ce este un pas semnificativ înainte, deoarece în ceramica policristalină această mărime a fost întotdeauna limitată la aproximativ 1.000 de picocoulombi pe Newton”, a spus Priya. „2.000 a fost considerată o țintă de neatins în comunitatea ceramicii, așa că atingerea acestui număr este foarte spectaculoasă”.

Calea către descoperirea noului mecanism a început cu o întrebare: ce factori controlează amplitudinea constantei piezoelectrice? Constanta piezoelectrică este sarcina generată de o unitate de forță aplicată, picocoulomb pe Newton, care, la rândul său, depinde de efectele care apar pe scara atomică până la mezo.

„Ne-am întrebat care sunt efectele de bază, aproape la scară atomică, ale parametrilor fundamentali care limitează sau controlează răspunsul?” spuse Priya. „Folosind modelul multi-scale dezvoltat la Michigan Tech, care este o combinație de diferite tehnici de modelare pentru a acoperi scara lungimii, am efectuat o investigație foarte detaliată a două fenomene”.

Una a fost eterogenitatea chimică, care descrie modul în care atomii diferitelor elemente dintr-un material sunt distribuiți la scară nanometrică. Acest lucru este important deoarece diferitele poziții atomice și locurile pe care le ocupă sunt critice pentru răspunsul piezoelectric. Al doilea este anizotropia, influența orientării cristalografice. Acest lucru este important deoarece proprietățile piezoelectrice ale unui material sunt mai mari de-a lungul unei anumite direcții cristalografice.

„Imaginați-vă că materialul este ca un cub – un cub are axe diferite, o diagonală a feței și o diagonală a corpului și, prin urmare, răspunsul piezoelectric se schimbă în toate aceste direcții diferite”, a spus profesorul de știință Yu U. Wang și Ingineria materialelor, Michigan. Tehnic. Universitatea, spune. „Și așa, arătăm că prin alinierea tuturor granulelor unui material ceramic de-a lungul anumitor axe cristalografice, putem obține un răspuns piezoelectric foarte mare. Am creat o eterogenitate locală foarte mare și o orientare foarte mare a granulelor în materialul ceramic. , iar combinația acestor doi parametri de control de bază a condus la un răspuns piezoelectric ridicat în ceramică.”

Cercetătorii au descoperit că, dacă adăugați o cantitate mică de element de pământ rar europiu în ceramică, europiul va ocupa colțul rețelei cubice. Acest lucru creează eterogenitatea chimică în material, care este necesară pentru un răspuns piezoelectric ridicat. Cercetătorii au reușit să amplifice și mai mult răspunsul orientând 99% din granulele de cristal.

Combinația acestor două efecte nu a fost niciodată explorată înainte, potrivit Yongke Yan, profesor asociat de cercetare în știința materialelor și inginerie și autor principal al studiului.

„Cred că acest mecanism pe care am fost capabili să-l identificăm nu numai că duce la îmbunătățiri, dar duce la îmbunătățiri dramatice și îl aduce mai aproape de valoarea ideală, care este mult mai mare decât s-ar aștepta mulți oameni.” , a spus Yan.

Pentru a colecta datele necesare pentru a-și demonstra conceptul, Priya și echipa ei au lucrat cu Dabin Lin, un fost om de știință vizitator la Institutul de Cercetare a Materialelor (MRI) din Penn State și în prezent lector de inginerie fotoelectrică la Universitatea Tehnologică Xi’an din China, și Ke Wang , un om de știință al personalului RMN în Laboratorul de Caracterizare a Materialelor RMN. Aceasta a inclus colectarea datelor de la microscopul electronic de transmisie prin scanarea materialelor ceramice, pe care le-au combinat cu tehnici de spectroscopie cu raze X cu dispersie de energie (EDS). EDS poate determina ce elemente chimice sunt prezente și permite cercetătorilor să „vadă” la nivelul unui singur atom că europiul este prezent în ceramică într-un mod care îi conferă eterogenitatea necesară pentru un răspuns piezoelectric ridicat.

Aceste descoperiri au potențialul de a conduce la materiale piezoelectrice îmbunătățite și chiar noi, cu o varietate de aplicații noi de acționare și traductoare. Acest lucru ar putea însemna o mai bună robotică, senzori, transformatoare, motoare cu ultrasunete și tehnologie medicală. În plus, deoarece ceramica piezoelectrică ultra-înaltă a studiului poate fi procesată folosind procese tradiționale de fabricare multistrat, materialele ar fi rentabile și scalabile.

„Oamenii beneficiază de electronică și sunt în atât de multe lucruri, cum ar fi roboți, microscoape, sisteme de transport, orice dispozitiv personal cu un ecran, cum ar fi un telefon, dispozitive medicale, cum ar fi imaginile corpului sau instrumentele de scanare, și chiar lucruri folosite în spațiu. explorare ca niște roboți care ar putea opera în afara unei nave spațiale”, a spus Priya. „Toate aceste lucruri pot fi îmbunătățite cu ceramică piezoelectrică ultra-înaltă”.


Un nou compozit piezoelectric flexibil pentru imprimarea 3D


Mai multe informatii:
Yongke Yan și colab., Performanță piezoelectrică ultra-înaltă prin inginerie compozițională și microstructurală sinergică, Științe avansate (2022). DOI: 10.1002/advs.202105715

Furnizat de Universitatea de Stat din Pennsylvania

Citat: Performanță piezoelectrică ultra-înaltă demonstrată în materiale ceramice (18 mai 2022) Preluat la 18 mai 2022 de la https://phys.org/news/2022-05-ultrahigh-piezoelectric-ceramic-materials.html

Acest document este supus dreptului de autor. Cu excepția utilizării loiale în scopuri de studiu sau cercetare privată, nicio parte nu poate fi reprodusă fără permisiunea scrisă. Conținutul este oferit doar cu titlu informativ.

Add Comment