14:39 2022-05-18
science - citeste alte articole pe aceeasi tema
Comentarii Adauga Comentariu
_ Performanță piezoelectrică ultraînaltă demonstrată în materiale ceramice
_ Performanță piezoelectrică ultraînaltă demonstrată în materiale ceramice< /h3>
Abilitatea materialelor piezoelectrice de a converti energia mecanică în energie electrică și viceversa le face utile pentru diverse aplicații, de la robotică la comunicații la senzori. O nouă strategie de design pentru crearea ceramicii piezoelectrice ultra-performante 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 declarat Shashank Priya, vicepreședinte asociat pentru cercetare și profesor de știința materialelor și inginerie la Penn State și coautor al studiului publicat în revista Advanced Science. "Există multe mecanisme care limitează magnitudinea piezoelectricității în materialele ceramice policristaline. În această lucrare, demonstrăm un mecanism nou care ne permite să creștem mărimea coeficientului piezoelectric de câteva ori mai mare decât este de așteptat în mod normal pentru o ceramică."
Coeficientul piezoelectric, care descrie nivelul răspunsului piezoelectric al unui material, este măsurat în picocoulombs per Newton.
„Am atins aproape 2.000 de picocoulombs per Newton, ceea ce reprezintă un progres semnificativ, deoarece în ceramica policristalină, această mărime a fost întotdeauna limitată la aproximativ 1.000 de picocoulombs per Newton”, a spus Priya. „2.000 a fost considerată o țintă de neatins în comunitatea ceramicii, așa că atingerea acestui număr este foarte dramatică.”
Drumul către descoperirea noului mecanism a început cu o întrebare: Ce factori controlează magnitudinea constantei piezoelectrice? Constanta piezoelectrică este sarcina generată de o unitate de forță aplicată, picocoulomb pe Newton, care, la rândul său, este dependentă de efectele care apar la nivel atomic până la mezoscală.
„Ne-am întrebat care sunt unele efecte de bază, aproape la scara atomică, a parametrilor fundamentali care limitează sau controlează răspunsul?" spuse Priya. „Folosind modelul multiscale dezvoltat la Michigan Tech, care este o combinație de diferite tehnici de modelare pentru a acoperi scara lungimii, am efectuat o investigație foarte detaliată asupra a două fenomene.”
Unul 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 așadar. Răspunsul piezoelectric se schimbă în toate aceste direcții diferite”, a spus Yu U. Wang, profesor în știința materialelor și inginerie, Universitatea Tehnică din Michigan. „Și așa, arătăm că prin alinierea tuturor boabelor dintr-un material ceramic de-a lungul anumitor axe cristalografice, putem obține un răspuns piezoelectric foarte mare. Am creat o cantitate foarte mare de eterogenitate locală 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 europiu din pământ rar la ceramică, europiul va ocupa colțul. a 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 prin orientarea a 99% din boabele de cristal.
Combinația acestor două efecte nu a fost explorată înainte, potrivit Yongke Yan, profesor asociat în știința materialelor și inginerie și autor principal al acestui studiu.
„Cred că acest lucru mecanismul pe care am fost capabili să-l identificăm nu numai că duce la îmbunătățire, dar duce la îmbunătățiri dramatice și îl împinge 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 sa au lucrat cu Dabin Lin, fost savant invitat la Institutul de Cercetare a Materialelor (MRI) al Penn State și în prezent lector în inginerie fotoelectrică la Universitatea Tehnologică Xi'an din China, și Ke Wang, 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 le 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 descoperirile 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 tehnologii medicale. În plus, deoarece ceramica piezoelectrică ultraînaltă din studiu poate fi procesată folosind procese tradiționale de fabricație multistrat, materialele ar fi rentabile și scalabile.
„Oamenii beneficiază de electronică și sunt prezente 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 instrumente de imagistică corporală sau de scanare, și chiar lucruri folosite în explorarea spațiului, cum ar fi roboții care ar putea funcționa în afara unei nave spațiale", a spus Priya. spus. „Toate aceste lucruri pot fi îmbunătățite cu ceramica piezoelectrică ultraînaltă.”
Comentarii:
Adauga Comentariu