打破技术僵局 科学家为压电材料穿上“宇航服”

  蜜蜂大小的无人机穿梭探测，手术机器人在血管中巡游作业，可捕捉细胞早期病变的新一代B超，拥有真实触觉反馈的VR世界……这些科幻场景的实现，关键卡点之一在于缺少一种能把“力”与“电”进行超高效、超灵敏转换的“超级压电陶瓷”。而如今，我国科研团队给出了答案。

  近日，《科学》期刊在线发表了甬江实验室上席研究员、西安交通大学讲座教授任晓兵联合团队的突破性成果：通过将一类经典且低成本的多晶压电陶瓷的核心性能指标提升超过10倍，他们创制出了“超级压电陶瓷”，并开创了主动压电器件新范式，让材料稳定工作在“性能珠峰”。

  从600pC/N到6850pC/N

  压电材料是智能时代关键功能材料之一，作为力电信号转换的核心载体，是各类精密智能设备的底层架构。它是灵敏的“神经”，手机指纹识别的瞬间、医院B超探头捕捉的体内回响，都靠它把机械/声学信号转换为电信号。同时，它也是精密的“肌肉”，高端相机镜头自动对焦、光刻机实现纳米级移动，都由它精准驱动。

  衡量这项“灵敏”与“力量”的关键指标是压电系数（d₃₃）。数值越高，材料的力电耦合转换性能越优异。但过去70余年里，这项指标的发展几乎陷入停滞。在主流陶瓷材料中，自20世纪50年代锆钛酸铅（PZT）多晶陶瓷问世以来，其性能始终定格在200-600pC/N区间，数十年未有根本性突破；在高端单晶材料上，20世纪80年代弛豫压电单晶出现，性能可达2000pC/N量级，但造价堪比黄金，且稳定性差并极其脆弱，难以大规模应用。

  现在，僵局被打破。任晓兵团队研制的基于廉价多晶锆钛酸铅、但采用独特“主动工作模式”的压电陶瓷，其压电系数（d₃₃）最高达到 6850pC/N。这一数值不仅是传统压电陶瓷的10-30倍，也显著超越了所有已知的顶级单晶材料，标志着一类兼具超高性能与工程实用潜力的“超级压电陶瓷”诞生。

  据介绍，这一成果有望为下一代微型机器人、细胞级超声成像与高保真触觉交互等方向提供关键材料支撑，其主动压电器件新范式更将对功能材料领域产生深远启示。

  从理论到现实

  取得这一突破并非偶然，而是源于一场长达15年的执着探寻。

  2009年，任晓兵在国际物理期刊《物理评论快报》上提出前瞻理论：在压电材料的相图多相交汇处，存在一个“三临界点”（tricritical point），即热力学奇点。此处各相间能量壁垒消失，材料对外场的响应理论上趋于无穷，可以看作是性能的“珠穆朗玛峰”。

  然而，一个“悖论”让该理论长期停留在猜想阶段。传统压电材料温度一旦逼近居里温度（Tc），就会导致压电性能完全丧失。而这座“性能珠峰”的坐标，偏偏就在此处。因此，在既有认知中，这个热力学奇点被视为“理论上可能存在，但实际上不可抵达”。

  面对“一近巅峰就失效”的难题，任晓兵团队选择逆向思考：能否有一种方法，让材料能在传统的“死亡温度”下“维持生命”并高效工作？

  为此，他们首创了压电器件的“主动工作模式”。一是内置“智能温控”，通过集成微区热管理，将压电材料温度精确稳定在理论奇点上；二是实时“压电生命维护”，施加一个微小的偏置电场（约20V/mm），持续引导材料内部亿万电偶极子一致排列，抵消热扰动的破坏。

  任晓兵介绍，这就像在珠穆朗玛峰建立营地，先找到具有卓越能力的队员（超级压电陶瓷），然后构建强大的保温与供氧系统，使队员始终处于最佳状态。

主动工作模式压电调控技术原理框图，及该模式下QP陶瓷的压电系数在室温至350°C的超宽环境温度内保持稳定。主动工作模式包含控温模块与偏压模块，可类比为攀登珠峰所需的保温服和氧气瓶。

  最终，基于该模式的主动压电器件在室温至350°C范围内保持压电系数>6000pC/N的稳定输出，且该性能原则上可延伸至极低温或超高温。

  从“优化材料”到“设计状态”

  在高温工业环境与航空航天等极端工况下，“强”与“稳”缺一不可。过去，旧范式（被动材料）是在优化材料本身上下功夫，追求其在舒适区（如室温）的固定高性能，但材料怕热畏寒，性能容易随环境波动；而新范式（主动器件）则通过外部调控系统（温度、电场）实时调节，将材料动态“锁定”在最佳工作状态，兼具高性能与更强的环境适应性。

  “就像人体正常体温须维持在37℃左右，偏离一定范围就会生病甚至丧失机能。但有了宇航服和空间站，即使在太空这样的极端工况中，人类也能执行各项任务。三临界主动压电器件也是如此——相当于给材料穿上‘宇航服’，让它稳定发挥。”任晓兵说。

  在他看来，“超级压电陶瓷”或将成为高端传感、精密驱动与智能交互等领域重塑技术格局的关键底座。

  历时15年，这项工作完成了从理论预言、材料创制到器件创新的全链条闭环。一个更灵敏、更精准、更智能的未来，正加速走近。（蔡琳）