壓電材料在外加電場下可以改變其形狀，其在紙上油墨印刷和掃描隧道顯微鏡的*移動*等方面具有廣泛的應用。目前，*有效的壓電材料是單晶格壓電材料，因為它們具有較大的電應變值（＞1%），電應變值標志著材料在施加電場時所能產生形變量大小。然而，它們非常昂貴且難以制造。由多個微小晶體組成的陶瓷壓電材料至少比其便宜一百倍，且易于批量生產，但它們通常具有非常低的電應變值。

     印度科學院（IISC）的研究人員*設計了一種陶瓷材料，其能夠達到迄今為止陶瓷*高的1.3%的電應變值，并且*接近單晶的電應變值記錄。

     負責這項研究的IISc材料工程系副教授Rajeev Ranjan說：“陶瓷的制造過程和磚頭十分相似，這可使得致動器和換能器行業(yè)在高端應用方面，可選擇比單晶更便宜的材料�！�

     這項研究發(fā)表在《自然材料》Nature Materials雜志上。

     當石英等天然材料被切割為單晶后，當施加電壓時，其可以自動壓縮或膨脹。然而，它們的制造成本高且復雜。自20世紀50年代以來，焦點已經轉向更便宜的鐵電基陶瓷混合金屬氧化物。這些陶瓷在其制備過程中不具有壓電性，但可以通過施加強電壓來實現(xiàn)。

      當電場施加到壓電材料晶體或陶瓷上時，它會產生一種應變，其是由相對于原始尺寸的長度變化來衡量的。在材料中可以誘導的應變越大越好，特別是對于諸如醫(yī)學成像設備中超聲產生方面的應用。迄今為止達到的這種電應變的*高值是1.7%，它來自一種被稱為弛豫鐵電體的特殊類型鉛基材料單晶。到目前為止，研究人員無法設計具有相似或接近電應變值的陶瓷。

      陶瓷材料通常是一種細小的復合材料，隨機取向的金屬氧化物晶體稱為晶粒。當施加電壓時，在每個晶粒內稱為疇的局部區(qū)域試圖使其自身朝向所施加的磁場方向生長，進而促使晶粒改變其形狀。晶粒形狀變化的程度取決于稱為“自發(fā)晶格應變”的固有性質。這種自發(fā)應變越大，顆粒在電場作用下變形的程度就越大。在陶瓷壓電材料中看到的電應變代表了幾千個晶粒伸長的總和。

     然而，大多數壓電陶瓷有一個缺點：當電壓被關閉時，疇仍然停留在其新的結構中，被材料中的缺陷所釘住，并且不能返回到它們的初始狀態(tài)。這意味著，當施加電壓第二或第三次時，電應變將急劇減小。

     因此，理想的壓電陶瓷材料不僅應具有大的自發(fā)晶格應變，而且還應具有疇的可逆運動。

     為了開發(fā)出這樣的材料，Ranjan和他的團隊首先制備了具有較大自發(fā)晶格應變的BiBeO3和PbTiO3固溶體。因為這種材料中的疇是不動的，所以他們通過添加不同量的鑭元素來進行化學修飾，以使疇移動。在鑭的某一臨界濃度下，當電壓被切斷時，疇能夠切換回到原來的狀態(tài)。

     Ranjan說：“因此，我們的材料可以被比喻成一種橡膠，它可以在每次拉伸時反復拉長�！�

     在加入臨界濃度的鑭時，該材料也顯示出1.3%的電應變值，這幾乎是迄今報道的陶瓷*高值的兩倍。每次施加電壓時，該值都保持不變。經仔細核對，該材料表現(xiàn)出類似于高性能弛豫鐵電體的納米級性質。

     Ranjan說：“我們的研究成果已經證明，即使在陶瓷中也能實現(xiàn)如此大的電應變，這將會刺激科學家去研發(fā)出更多的新型材料。”