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記者從甬江實(shí)驗(yàn)室獲悉，該實(shí)驗(yàn)室任曉兵團(tuán)隊(duì)研制的基于廉價(jià)多晶鋯鈦酸鉛、采用獨(dú)特“主動(dòng)工作模式”的壓電陶瓷，其壓電系數(shù)最高達(dá)到6850pC/N。這標(biāo)志著一類(lèi)兼具超高性能與工程實(shí)用潛力的“超級(jí)壓電陶瓷”正式誕生。相關(guān)成果1月29日在線發(fā)表于國(guó)際期刊《科學(xué)》。

壓電材料是智能時(shí)代關(guān)鍵功能材料之一，作為力電信號(hào)轉(zhuǎn)換的核心載體，廣泛應(yīng)用于各類(lèi)精密智能設(shè)備的底層架構(gòu)。衡量這項(xiàng)“敏感”與“力量”的關(guān)鍵指標(biāo)，稱(chēng)為壓電系數(shù)（d??）。這一數(shù)值越高，材料的力電耦合轉(zhuǎn)換性能越優(yōu)異。然而，過(guò)去70余年，這項(xiàng)指標(biāo)的發(fā)展并未取得根本性突破。

傳統(tǒng)壓電材料須依賴(lài)強(qiáng)電場(chǎng)極化，使內(nèi)部偶極子取向一致以產(chǎn)生宏觀響應(yīng)，但溫度一旦逼近居里溫度（Tc），熱擾動(dòng)會(huì)迅速打亂這種有序，壓電性能完全喪失。而這座“性能珠峰”的坐標(biāo)，偏偏落在Tc處——傳統(tǒng)壓電材料的“死亡溫度”。

面對(duì)“一近巔峰就失效”的難題，任曉兵團(tuán)隊(duì)做出了大膽的逆向思考：能否有一種方法，讓材料能在傳統(tǒng)的“死亡溫度”下“維持生命”并高效工作？為此，團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)了壓電器件的“主動(dòng)工作模式”。他們內(nèi)置“智能溫控”，通過(guò)集成微區(qū)熱管理，將壓電材料溫度精確穩(wěn)定在理論奇點(diǎn)上。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)進(jìn)行實(shí)時(shí)“壓電生命維護(hù)”，施加一個(gè)微小的偏置電場(chǎng)（約20 V/mm），持續(xù)引導(dǎo)材料內(nèi)部?jī)|萬(wàn)電偶極子一致排列，抵消熱擾動(dòng)的破壞。

最終，基于該模式的主動(dòng)壓電器件在室溫至350攝氏度范圍內(nèi)保持d?? > 6000 pC/N的穩(wěn)定輸出，且該性能原則上可延伸至極低溫或超高溫。

“這就像人體正常體溫須維持在37攝氏度左右，偏離一定范圍就會(huì)生病甚至喪失機(jī)能。但有了宇航服和空間站，即使在太空這樣的極端工況中，人類(lèi)也能執(zhí)行各項(xiàng)任務(wù)。該主動(dòng)壓電器件也是如此，相當(dāng)于給材料穿上‘宇航服’，讓它穩(wěn)定發(fā)揮?！别瓕?shí)驗(yàn)室先進(jìn)智能材料研究中心主任、上席研究員任曉兵說(shuō)。

據(jù)介紹，該項(xiàng)研究被審稿人譽(yù)為“革命性發(fā)現(xiàn)”，有望為下一代微型機(jī)器人、細(xì)胞級(jí)超聲成像與高保真觸覺(jué)交互等方向提供關(guān)鍵材料支撐，主動(dòng)壓電器件新范式將對(duì)功能材料領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)啟示。