南洋理工大学团队开发出柔性压电晶体应变能力高达22%远超传统压电材料

新加坡南洋理工大学(NTU Singapore)领导的一个研究小组开发了一种新型柔性压电材料,应变能力高达22%。当对其施加电力时,它弯曲度是竞争对手的四十倍,远远超过传统压电材料,为更好的微型机器开辟了道路。

相反,当它弯曲时,它能非常有效地产生电力,可以用于更好的 “能量收集”–有可能仅通过日常运动就能为小工具的电池充电。

这种新型材料既具有电致伸缩性又具有压电性。它的电致伸缩性意味着当施加电流时,它可以改变形状,而压电性意味着该材料可以将压力转化为电荷。

当施加电场时,构成电致伸缩性材料的原子会发生变化,使材料发生变形和弯曲。当压电材料被压缩时,压力会转化为电荷,而电荷会积聚在材料中。

科学家们发现,当施加电场时,新型混合材料的应变能力可达到22%,这是迄今为止报道的压电材料的最高应变能力。这远远超过了传统的压电材料,当电流通过传统材料时,它最多只能变形0.5%。新材料还比其他压电和电致伸缩材料更节能。

压电材料常用于吉他、扬声器、传感器和电动机。例如,压电拾音器是电吉他中用于将琴弦的振动转化为电信号的装置,然后经过处理,用于音乐录制或通过扬声器放大。

铁电晶体最早于1920年被发现,由于它们很容易集成到电气设备中,因此被用于制造压电体已有70多年的历史。

但它们脆性大,不灵活,弯曲度只有0.5%,这在很大程度上限制了它们在电子设备中的应用,如执行器(将电控制信号转化为机械运动的部件,如打开和关闭的阀门)。

有些铁电还含有铅,而铅是有毒的,它在压电设备中的存在是电子垃圾难以回收的原因之一。传统的铁电材料如钙钛矿氧化物也不适合用于与皮肤接触的柔性电气设备,如追踪心率的可穿戴生物医疗设备。

上个月发表在科学杂志《自然材料》上的新材料,是由南洋理工大学物理与数学科学学院的范团队创造的。此外,来自中国南方科技大学的王俊岭教授也是团队成员之一,他曾是南大材料科学与工程学院的教授。

由于比类似的电致伸缩材料的柔韧性高40多倍,新型铁电材料可用于高效的设备,如当施加电场时可弯曲的执行器和传感器。凭借其优越的压电特性,该材料还可用于机械装置,当弯曲时可收集能量,这将有助于为可穿戴设备充电。

研究团队认为,未来可以通过进一步优化化学成分来大幅提高这一性能,这类材料可以在物联网(IOT)可穿戴设备的开发中发挥关键作用,物联网是实现第四次工业革命的关键技术之一。

南洋理工大学团队开发出柔性压电晶体应变能力高达22%远超传统压电材料
NTU科学家开发的新型压电晶体的特写,其弯曲能力是小型致动器和传感器中通常使用的传统铁电晶体的40倍。

开发一种柔性铁电材料

为了开发一种柔性铁电材料,研究人员修改了一种混合型铁电化合物C6H5N(CH3)3CdCl3的化学结构,简称PCCF,它的弯曲度可能是传统铁电材料的百倍。获取更多前沿科技 信息 请持续关注:https://byteclicks.com

为了进一步增加材料的活动范围,科学家们对该化合物的化学组成进行了修改,将其部分氯(Cl)原子替换为与氯大小相近的溴(Br),以削弱结构中特定点的化学键。这使得该材料更加柔韧,而不影响其压电品质。

这种新材料很容易制造,只需要基于溶液的加工,晶体随着液体蒸发而形成,不像典型的铁电晶体需要使用高功率激光和能量才能形成。

当对新的PCCF化合物施加电场时,其中的原子移动量大大超过大多数传统铁电材料中的原子,应变能力高达22%,远远超过传统压电材料。

上一篇:

下一篇:


标签