强无铅生物仿生压电陶瓷用于耐用能源变换器
材料科学
2026-01-27 v2 应用物理
摘要
耐用、高性能且环保的无铅压电陶瓷对于下一代可持续能源变换器和电机系统至关重要。尽管通过化学组成、纹理或晶体缺陷实现了显著的性能提升，但压电陶瓷在机械上是固有的脆弱，这会影响其工作条件和耐久性。此外，在不牺牲压电性能的前提下提高综合机械耐久性仍是一个关键挑战。本文设计了一种生物仿生的Bi0.5Na0.5TiO3 (BNT)陶瓷，采用可扩展的胶体方法实现对多尺度结构的控制。该设计包括叠加板状单晶BNT砖块以沿极化方向诱导晶体纹理，由硅氧烷基砖浆粘合，形成砖瓦结构。这种刻意的结构设计使BNT的屈曲强度提高了2至3倍，断裂韧性提高了1.6至2倍，相当于常见结构陶瓷，同时不牺牲压电性能。此外，生物仿生BNT显示出显著增强的铁电疲劳抗性，在失效前的场致电机械循环次数提高了10至15倍。这一收益来源于各向异性残余应力场，由拉曼光谱和XRD揭示，这些应力场延迟了裂纹启动事件。进一步，我们在弯曲模式下使用基于 cantilever beam 的压电变换器示范了增强的变换能力和电机疲劳抗性。鉴于其非化学组成来源，这种生物仿生策略可能广泛适用于其他压电材料体系，用于两者兼具功能性和结构性能至关的应用。
引用
@article{arxiv.2508.15382,
title = {Strong lead-free bioinspired piezoceramics for durable energy transducers},
author = {Ruxue Yang and Temesgen Tadeyos Zate and Peiren Wang and Soumyajit Mojumder and Elo Overgaard Mogensen and Oriol Gavalda-Diaz and Zihe Li and Ajeet Kumar and James Roscow and Hamideh Khanbareh and Astri Bjørnetun Haugen and Florian Bouville},
journal= {arXiv preprint arXiv:2508.15382},
year = {2026}
}