科學家設計出新陶瓷壓電材料，電致應變值達 1.3%
壓電材料是一種被施加電場時會改變形狀的材料，具有廣泛應用，其中一個焦點壓電材料陶瓷成本低廉，可惜的是電致應變值很低，導致效率不佳。現在印度科學家設計出電致應變值比以往還要高 2 倍的新陶瓷壓電材料，將使感測器或驅動器有更便宜的材料選擇。
壓電效應在聲音產生與偵測、高電壓生成、電頻生成、微量天平、光學元件超細聚焦等方面有著重要運用，壓電材料種類甚多，如單晶、高分子、薄膜、陶瓷、複合材料等，受惠於晶格內原子特殊排列方式，當在壓電材料表面施加電場（電壓）時，材料因應力場與電場耦合而會產生「逆壓電效應」：電場作用導致電偶極矩被拉長，壓電材料為抵抗變化會沿電場方向伸長（機械形變），實質上是電能轉化為機械能的過程。
壓電材料種類可以分成壓電單晶體、壓電多晶體（壓電陶瓷）、壓電聚合物、壓電複合材料等 4 大類；若根據具體材料形態，則可以分為壓電體材料和壓電薄膜兩大類，能誘發的形變越大越好，特別有利於超聲波設備應用。
上述分類中，壓電單晶體因具有大於 1% 的電致應變值（electrostrain value）所以效率最佳，多數為鐵電晶體，比如含氧八面體的鐵電晶體、含氫鍵的鐵電晶體、含層狀結構的鈦酸鉍晶體等；另外也有包括石英、硫化鎘、氧化鋅、氮化鋁等的晶體，其中天然材料（如石英）切割成單晶體後，會在電壓施加時自動壓縮或膨脹，但同時成本高昂且製造困難。
因此 1950 年代以來，研究人員便將另一大焦點放在由多個微小晶體組成的壓電多晶體（壓電陶瓷）身上，其成本相較於壓電單晶體便宜了百倍，但電致應變值通常也很低，有一好無兩好。
目前，電致應變值最高的材料是一種稱為鐵電弛緩體（relaxor ferroelectrics）的特殊類型，高達 1.7%，過去研究人員一直無法再突破陶瓷材料的應變值，直到現在，陶瓷壓電材料可能有機會出頭天了。
印度科學理工學院（IISc）材料工程系副教授 Rajeev Ranjan 設計出電致應變值高達 1.3% 的陶瓷壓電材料，是迄今為止所有陶瓷材料中最高（高出 2 倍）且最接近壓電單晶體紀錄的電致應變值，Rajeev Ranjan 表示，製作陶瓷的過程與製磚相似，這項設計將使感測器或驅動器得以選擇便宜許多的材料。
之前，多數陶瓷壓電材料有一個大缺點，施加電場時材料發生應變，但電場消失後形狀卻變不回原始狀態，所以後續施加第 2 次、第 3 次電場時，電致應變值會急劇減少。為了改善這項不可逆缺點，研究團隊首先準備主要成分為 BiFeO3 和 PbTiO3 的陶瓷材料，接著添加元素鑭（lanthanum）來對上述兩種化合物進行化學修飾，使得電場關閉後，材料能跟著回復原始狀態。
現在你可以將這種陶瓷壓電材料比喻為橡膠，它和其他材料一樣經得起反覆拉伸，但成本大幅下滑。新研究已發表在《自然-材料》（Nature Materials）期刊。
（首圖為示意圖，來源：shutterstock）