Strong lead-free bioinspired piezoceramics for durable energy transducers
本研究提出了一种可扩展的、仿生的“砖泥”微观结构设计，用于无铅 Bi0.5Na0.5TiO3 压电陶瓷，该设计在不牺牲压电性能的前提下显著增强了机械强度、断裂韧性和抗疲劳性，从而实现了耐用的能量换能器。
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想象一下，你拥有一种非常特殊的陶瓷建筑模块。这种材料非常神奇，能够将电能转化为运动（以及反向过程），这使得它非常适合用于传感器、医疗设备和能量收集器。然而，这类陶瓷模块存在一个大问题：它们就像干硬的旧饼干一样。虽然它们极其有用，但也极其脆弱。如果你弯曲它们或用力撞击它们，它们就会碎裂。这限制了它们的使用寿命以及能够承受的压力。
科学家们一直试图在不破坏其特殊电学性能的前提下增强这些陶瓷的强度，但这一直是一个难题。通常情况下，增强强度往往会降低它们的效能。
“珍珠层”解决方案
在这项研究中，来自伦敦帝国理工学院、丹麦技术大学和巴斯大学的研究人员提出了一个受自然启发的高明想法。他们观察了珍珠层（也称为母贝），即贝壳内部闪闪发光的坚韧材料。
珍珠层之所以强韧，是因为它具有“砖块与砂浆”的结构：
- 砖块： 由主要材料构成的坚硬、扁平的板片。
- 砂浆： 一种较软、具有粘性的物质，用于将砖块固定在一起。
当外力撞击贝壳时，砖块会在彼此之间轻微滑动，而砂浆则吸收冲击力，从而阻止裂纹扩散。这使得贝壳变得异常坚韧。
打造更好的陶瓷
研究团队决定使用这种同样的“砖块与砂浆”设计来制造他们的无铅陶瓷（由一种称为 BNT 的材料制成）。
- 砖块： 他们制造了 BNT 的扁平板状晶体。
- 砂浆： 他们添加了少量的二氧化硅（玻璃状材料）作为砖块之间的“胶水”。
- 组装： 利用温和的磁场，他们在烘烤结合之前，将所有的扁平砖块排列整齐，使它们完全平行，就像一叠煎饼一样。
神奇的结果
当他们测试这种新型“仿生”陶瓷时，发现了一个令人惊讶的现象。通常情况下，添加第二种材料（砂浆）会削弱电学性能。但在这种情况下，奇迹发生了：
- 强度： 新型陶瓷比旧的标准版本强 2 到 3 倍。它可以承受更大的弯曲力而不破碎。
- 韧性： 它更具韧性（强了 1.6 到 2 倍），这意味着它更难产生裂纹。
- 性能： 至关重要的是，它们并没有失去其电学超能力。事实上，在某些情况下，它们的表现甚至更好。
为什么有效：隐形的盾牌
为什么这能奏效？研究人员发现，由于“砖块”（BNT）和“砂浆”（二氧化硅）在烘烤冷却后收缩速率不同，它们创造了看不见的内部应力场。
想象一下这就像一个走钢丝的人。二氧化硅口袋被紧紧挤压（受压），而周围的砖块则被轻微拉伸（受张力）。这种内部张力就像一面盾牌。当微小的裂纹试图产生时，它会撞上这个应力场，从而被阻挡或减慢速度。这防止了材料轻易破碎。
现实世界的影响
由于这种材料现在变得更加坚韧，它的寿命大大延长了：
- 更长的寿命： 当用作传感器或能量收集器时，它在失效前可以承受多出 10 到 15 倍的循环使用次数。
- 更好的输出： 由这种新材料制成的能量收集器产生的电压比旧版本高出 46%，且随时间推移的性能衰减也更慢。
宏观愿景
这项研究证明，你不需要在“强韧的材料”和“电学性能良好的材料”之间做选择。通过模仿贝壳的“砖块与砂浆”设计并使用少许二氧化硅胶水，科学家们创造出了一种既耐用又高性能的无铅陶瓷。这种方法可以用于制造更好的、更长寿的设备，涵盖从医疗传感器到能量收集系统等各个领域，且无需使用有毒的铅。
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