其他
近年來，國內(nèi)外利用應(yīng)力、溫度和電場的誘導(dǎo)相變，直接利用相變過程中的自發(fā)極化變化發(fā)展了反鐵電壓電材料和一系列的新應(yīng)用。典型的有富鋯的pzt95/5 和摻雜 la 和 nb 的 pszt 體系。已有不少研究不僅提供了各種應(yīng)用的可靠實驗依據(jù)，而且開發(fā)了各種創(chuàng)xin應(yīng)用的新途徑，如爆電換能，誘導(dǎo)相變的機電和熱電換能，熱耦合變壓器以及利用復(fù)合效應(yīng)來設(shè)計各種可能的系統(tǒng)。此外，壓電材料兼具傳感和驅(qū)動性能，能實現(xiàn)多種直接效應(yīng)和轉(zhuǎn)換、耦合、傳輸、存儲和自動反饋等功能，因而成為設(shè)計和發(fā)展智能材料和器件的重要支撐性材料，也是近年的熱門研究課題。如利用壓電效應(yīng)和電致伸縮效應(yīng)的疊合研制成功的智能減振器以及熱釋電電壓變壓器等。另外，具有*優(yōu)勢的壓電纖維復(fù)合材料也是國際上關(guān)注的熱點之一，由于篇幅所限，這里就不詳細介紹了。
新型壓電單晶在基礎(chǔ)理論方面開展的工作也較多，不過就其高性能的起因解釋還沒有取得一致的意見，從微觀疇的觀測結(jié)果來看，三方相和四方相共存時形成的多疇狀態(tài)可能是一個重要原因。架構(gòu)一個普適的物理模型是今后理論研究的一個主要方向。由于晶體生長周期長、價格成本昂貴，加之受熱穩(wěn)定性的影響，迄今為止，成功生長出的實用化的大尺寸弛豫鐵電單晶以 pmnt 居多，成分分布的不均勻，導(dǎo)致性能一致性還不夠理想，因此，制作價格適當(dāng)、性能更好的、大尺寸單晶仍然是今后努力的主要方向。此外，研究還表明，織構(gòu)化是多晶材料獲取高性能的另一個重要手段。利用模板晶粒生長或摻雜晶種的多晶織構(gòu)化生長技術(shù)，在原本無規(guī)則的多晶的進行定向排列生長，形成織構(gòu)化的微觀結(jié)構(gòu)，獲得單晶的物理性能，在某一方向上獲得強的壓電性能，這方面的研究已有不少，尤其是在無鉛壓電材料和高溫壓電材料上，這里就不詳細介紹了。
薄膜化
傳統(tǒng)的壓電體材料及其工藝受尺寸的限制，難以適應(yīng)現(xiàn)代電子器件微型化、小型化、集成化發(fā)展方向的要求。隨著微觀世界探索進程的加速，微機電系統(tǒng)（mems）飛速發(fā)展，迫切要求壓電材料實現(xiàn)薄膜化，從而為相應(yīng)微器件的設(shè)計和制作研究創(chuàng)造條件。目前基于壓電薄膜已經(jīng)開展了微型馬達、微加速度計、微麥克風(fēng)、微位移器、膜狀傳感器等微型器件的研究。國際上做出較大貢獻的有美國明尼蘇達的 d.l.polla 小組、賓夕法尼亞州立大學(xué)的s.trolier-mckinstr 小組和瑞士的聯(lián)邦技術(shù)研究院的p.muralt 小組等。如 p.muralt 等人基于 15～100 μm厚的硅單晶上用溶膠-凝膠方法沉積出 1 μm 厚的pzt 壓電薄膜作定子，并采用激光切割的方法加工了直徑 2.5 mm 的轉(zhuǎn)子，制作了轉(zhuǎn)速可達 200 rad/s的壓電微馬達。在生物醫(yī)療領(lǐng)域，利用壓電微馬達驅(qū)動，可制備多自由度的，從而在很小的傷口（如小于 10 mm）內(nèi)，在內(nèi)窺鏡下進行復(fù)雜手術(shù)，該非常有利于病人的康復(fù)。此外，還可進行顯微操作，如細胞分選、分類及其操作。近年來，無線技術(shù)發(fā)展和低功耗的微型器件的不斷涌現(xiàn)，能量收集技術(shù)引起了成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點，美國先進研究項目局還專門成立了能量回收項目組，資助從振動環(huán)境中收集能量技術(shù)的研究。麻省理工學(xué)院的 rajendra k.sood 等人設(shè)計了向微小無線傳感器或主動標簽供電的懸臂梁結(jié)構(gòu)的壓電微發(fā)動裝置。長寬在 300 μm 范圍內(nèi)懸臂梁主要由 sio2/zro2 電子擴散阻擋層，pzt 壓電膜，頂部的 pt 叉指電極層，以及 su-8 膠制作的質(zhì)量塊組成。在 13.7 khz 的一階共振頻率下、端部位移約 3 μm，可以輸出 1 μw 的電能，峰值電壓達2.36 v，通過整流處理后，將電能儲存在電容中。2006 年，美國《science》雜志上報道了佐治亞理工學(xué)院的王中林的研究小組在納米壓電發(fā)動機上取得的重大研究成果。2009 年他們又成功制作了利用生物活體帶動的新型交流納米發(fā)動機。劇烈跑動下的倉鼠，背部植入納米壓電發(fā)動機產(chǎn)生了高達 200 mv 的電源，為自我運轉(zhuǎn)、遠程無線操縱的生物探測器應(yīng)用在攜帶式民用和設(shè)備上提供了廣闊的前景。作為微機電系統(tǒng) mems 用驅(qū)動源的壓電薄膜，不僅要求工作電壓低、重量輕、體積小、成本低、容易與半導(dǎo)體工藝兼容，而且還需要驅(qū)動器單位體積的輸出力足夠大，傳感器的噪聲小。研究表明，能勝任的只有微米級厚度的膜及多層膜，因此，近些年來 1～10 µm 以至更厚的壓電薄膜是國內(nèi)外研究的熱點和重要發(fā)展方向。壓電薄膜的制備技術(shù)主要有復(fù)合溶膠-凝膠法、水熱法、網(wǎng)版印刷法。不同制膜工藝對薄膜的內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)有影響，從而改變薄膜的性質(zhì)。在襯底表面引入晶種能降低成膜的溫度還可獲得定向取向晶粒的薄膜。此外，高性能的 pzt 材料是壓電薄膜的shou選。墨爾本huang家理工大學(xué)的 s.sriram 等人研究制備的(pb0.92sr0.08) (zr0.65ti0.35)o3 薄膜的壓電性能d33 可達458-608 pc/n，遠遠高于 zno 壓電薄膜，為高性能的器件設(shè)計提供了了很好的材料基礎(chǔ)。值得注意的是，2004 年美國《科學(xué)》雜志報道了美、德、中聯(lián)合研制的高性能 batio3 膜，實驗中采用合適的襯底、控制膜的厚度，改變膜的應(yīng)變，使得 batio3 膜的居里溫度從 120 ℃度提高到400～540 ℃，剩余極化 pr 達 50～70 μc/cm2，這一研究成果被認為是近 10 年來壓電薄膜材料的重大發(fā)現(xiàn)之一，極大地鼓舞了今后無鉛系統(tǒng)壓電薄膜的研究發(fā)展。
壓電材料研究的新趨勢（三）
壓電材料研究的新趨勢（三）
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