研究人员解决了压电材料的长期挑战

　　热和压力会使压电材料的性能恶化，而压电材料使最先进的超声波和声纳技术成为可能，而修复这种损坏历来需要拆卸设备，并将材料暴露在更高的温度下。

　　现在，研究人员已经开发出一种在室温下恢复这些特性的技术，这使得修复这些设备变得更加容易，并为新的超声波技术铺平了道路。

　　论文“弛豫- pbtio3压电单晶未经热处理的电脱极和重极”发表在《自然通讯》上。

　　压电材料有许多应用，包括声纳技术和产生和感知超声波的设备。但为了使这些设备有效地产生声纳或超声波，材料需要“极化”。

　　这是因为用于声纳和超声波应用的压电材料大多是铁电的。和所有铁电材料一样，它们表现出一种叫做自发极化的现象。这意味着它们含有一对对带正电荷和负电荷的离子，称为偶极子。

　　当铁电材料被极化时，这意味着它的所有偶极子都被拉到与外部电场对齐的位置。换句话说，偶极子都在同一个方向上，这使得它们的压电特性更加明显。

　　“如果这些偶极子没有对齐，就很难产生具有实际应用所需振幅的目标超声波，”该研究论文的通讯作者、北卡罗莱纳州立大学机械与航空航天工程学院院长F.邓肯杰出教授蒋晓宁说。

　　Jiang说:“保持压电-铁电材料的极性存在一些重大挑战，因为偶极子在高温或高压下会开始失去它们的排列。”

　　“这也是一个制造问题，因为它限制了你在制造超声波设备时可以使用的其他材料和工艺，”蒋说。“而且由于升高的温度甚至没有那么高-你可以看到低至70°c的校准问题-即使运输或存储这些技术有时也会对设备的极点和效率产生不利影响。

　　“更重要的是，某些技术的长期使用可能导致设备本身产生热量，有可能使压电-铁电材料脱落。”

　　一旦材料中的偶极子偏离了方向，让它们重新对齐就不容易了。压电铁电材料需要从器件中取出，并暴露在300°C或更高的高温下，以便在“重新极化”材料并将偶极子拉回对齐之前完全去极。

　　蒋说:“重复使用这些压电铁电材料很重要，因为它们通常很昂贵，你不想把它们扔掉。”“但通常情况下，材料被收回，超声波设备的其余部分被丢弃。

　　“我们已经开发出一种技术，使我们能够在室温下脱极和复极压电铁电材料。这意味着我们可以在不从设备中移除材料的情况下将偶极子拉回直线，并且可以根据需要重复进行。”

　　为了理解这项新技术，你需要了解有两种方法可以将压电-铁电材料中的偶极子拉成直线。最广泛使用的技术是在材料上施加直流(DC)电场，将所有的偶极子拉向同一个方向。

　　Jiang说:“这种方法对于产生对齐效果很好，但仅使用直流场几乎不可能使材料去极点。”

　　另一种技术是在材料上施加交流电(AC)电场，使偶极子响应于电场中的波而振荡，直到电场被移除，此时偶极子锁定在对齐的位置。

　　“我们发现，即使在室温下，我们也可以使用交流场去极材料。如果材料最初是用直流电场极化的，我们可以用交流电场去除大部分极化，但不是全部。”“然而，如果材料最初是用交流场极化的，我们发现也可以使用交流场完全去极。”

　　这一发现对超声波技术至少有两个重要的影响。

　　Jiang说:“如果我们可以在室温下对压电-铁电材料进行极点化，这意味着我们可以改变我们在制造超声波设备时使用的其他材料和制造工艺，以优化其性能。”“我们不再局限于不会影响压电-铁电组件极化的材料和工艺，因为我们可以在设备组装后使用交流场对材料进行极化。

　　“更重要的是，这意味着我们可以很容易地在现有设备中重新填充材料，希望能为这些技术提供长期的峰值性能。”