纳米多孔压电材料BCZT，可用于高密度能量收集器
2024-07-03 13:03:54   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

据麦姆斯咨询介绍，澳大利亚昆士兰大学、日本早稻田大学和熊本大学的研究人员开发了一种超应变纳米多孔材料——锆钛酸钡钙（Ba_0.85Ca_0.15Ti_0.9Zr_0.1）O₃（BCZT），展现了非凡的压电响应（d₃₃≈7500 pm/V），相比锆钛酸铅（PZT）等传统压电材料高出了一个数量级。

纳米多孔BCZT电子显微照片

这项研究成果已发表于Chemical Science期刊，首次在纳米尺度上研究了BCZT压电特性的应变依赖性。

这种纳米多孔BCZT的合成工艺简单，压电性能出众，因此未来很有希望开发用于高密度能量收集发电机和环保型介质电容器。

压电材料因其在机械应力作用下产生电荷或在电场作用下形变的独特能力而闻名，已被广泛应用于传感器、换能器、海底声纳和小型医疗诊断设备。半个多世纪以来，传统压电材料（例如PZT）一直占据市场主导地位，但这些材料通常有毒且含铅。

“我们的目标是开发无铅压电材料，并且其性能可与传统材料媲美，甚至更胜一筹。这不仅是我们的目标，也是全球研究人员的共同目标。”本研究的主要作者、熊本大学先进科学技术学院助理教授Yukana Terasawa说。

（a）块体和（b）纳米多孔BCZT的d₃₃映射振幅分布

这种新型纳米多孔材料最显著的特点之一是超薄的结构。原子层面的研究表明，受控的孔壁厚度有助于形成高度应变的晶格结构，其晶体尺寸小于30 nm。这一特性显著提高了它的高压电特性。这种BCZT的压电电荷常数（d_ij），特别是d₃₃值，达到了令人瞩目的7500 pm/V。

与d₃₃值约为650 pC/N的传统铅基PZT相比，这是巨大的提升，凸显了BCZT作为PZT优异替代品的潜力，而PZT是过去50年来最成功的铁电材料。

除了卓越的压电特性外，这种材料的合成方法也非常简单。传统合成无铅钛酸钡（BTO）的方法涉及复杂的再混合、再煅烧或多步骤制备过程。

相比之下，BCZT可采用软模板法合成，这是一种基于溶胶-凝胶的技术，使用二嵌段共聚物作为孔导向剂。这种创新方法大大简化了合成过程，使其更易获取且高效。

这一突破性进展不仅为利用更加环保的替代材料取代传统压电材料铺平了道路，而且为铁电器件在能量收集领域的开发和应用开辟了新可能。

凭借高效的能量收集能力，这些创新器件有望在未来成为煤炭和碳氢化合物等传统能源的有力替代方案。

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《从微瓦到吉瓦的能量收集技术及市场机遇-2020版》