陶瓷一姐（陶瓷界的抗疫多面手）

2023-09-19 14:59:42 1

編者按：中科院之聲與中國科學院上海矽酸鹽研究所聯合開設「科普矽立方」專欄，為大家介紹先進無機非金屬材料的前世今生。我們將帶你——認識晶格，挑戰勢壘，尋覓暗物質，今古論陶瓷；彌補缺陷，能級躍遷，嫦娥織外衣，溢彩話琉璃。

眼下新冠疫情全球蔓延，給世界各國人民的生命安全和身體健康帶來嚴重威脅。

從疫情防控到疫病救治，我們離不開口罩、ICU呼吸機和超聲醫療設備等醫療物資。然而，在這些醫療物資生產和供應的背後，有一種不為人所熟知的陶瓷材料起到了至關重要的作用。那就是本文的主人翁，陶瓷界的抗疫多面手——壓電陶瓷材料。

壓電陶瓷是指通過特定成份粉體原料的混合、合成、成型、高溫燒結，從而得到的微細晶粒無規則集合體，該多晶體能夠實現力與電的互相轉化（如圖1所示）。壓電陶瓷的壓電性能隨燒結工藝和配方成分的不同而存在差異，因此其種類豐富且性能也各異。壓電陶瓷具有壓電性能強，易於製成各種形狀等諸多優勢，因此在各類壓電材料中，其應用是最為廣泛的。現在最常用的壓電陶瓷是鋯鈦酸鉛 Pb(Zr, Ti)O3 基壓電陶瓷，這是一種人造材料，在1954年由美國科學家 Jaffe 等人發明。

圖1常見壓電陶瓷片（上海矽酸鹽所供圖）

抗擊疫情中的多面手

壓電陶瓷特殊的壓電性能是如何在抗擊疫情的各場戰役中發揮作用的呢？下面我們為其揭開神秘的面紗。

圖2 職場中的多面手從容應對各項挑戰，抗擊疫情中壓電陶瓷就是多面手（圖片來自網絡）

（1） 抗擊新冠重器——ICU呼吸機

呼吸機對於重症或者危重症的新型冠狀病毒肺炎病人的治療尤為重要。現在全世界範圍內呼吸機都是稀缺產品。對於呼吸機的製造，基於壓電陶瓷材料研製的壓電閥是現代呼吸機的關鍵零部件之一（圖3）。壓電閥可以實現對氧氣混合量的精確控制，而且由於壓電閥在切換過程幾乎無聲，不會對日夜需要通過儀器進行輔助呼吸的病人造成噪音幹擾，「隨風潛入夜，潤物細無聲」，廣受醫療界好評。

圖3 呼吸機和壓電閥（圖片來自網絡）

（2） 新冠防護盾牌——口罩

作為阻斷新冠病毒傳播的盾牌，口罩在「悶死」病毒的戰役中居功至偉。在全世界巨大的使用需求下，全國的口罩機都在滿負荷工作，為抗疫作出了巨大貢獻。口罩機的工作也離不開神奇的壓電陶瓷材料（圖4）。

壓電陶瓷材料在口罩機中主要作用是將口罩的各部分焊接起來。它的工作過程是，先由振蕩電路振蕩出高頻電信號，然後由壓電材料將其轉化為高頻的機械振動，該每秒上幾十萬次的振動加上氣壓缸產生壓力通過焊頭傳導在塑料工件上，使塑料工件的接合面劇烈摩擦後熔化，振動停止後維持在工件上的短暫壓力使兩焊件以分子連結方式凝固為一體。一般焊接的時間都小於1秒，所得到的焊接強度可與本體媲美。

圖4 記得帶好口罩哦（圖片來自網絡）

圖5 口罩機（左）及聚焦焊接換能器（右）（圖片來自網絡）

（3） 新冠病人監護常規兵——超聲醫療設備

新冠疫情發生後，用於心電監測、血流診斷的超聲醫療設備成為緊俏的戰略物資。壓電陶瓷材料是超聲醫療設備的核心元器件（如圖6）。例如，可攜式都卜勒血流探測儀是一種新型高科技醫療診斷儀器，由運動結構反射回來的超聲波束的都卜勒頻移來提供人體器官（如心臟或者血液）的運動速度信息。該方法已被廣泛應用於人體結構的臨床診斷中，並具有相當高的診斷價值。

圖6 都卜勒血流探測儀（左）及壓電流量計探頭（右）（圖片來自網絡）

壓電效應的原理揭秘

為什麼壓電材料能實現從電到力的相互轉換？

這是由於壓電材料具有正逆壓電效應。正壓電效應能實現從力到電的轉換，可以發電。正壓電效應其實大家並不陌生，人們很早就利用正壓電效應——擊打燧石（石英）獲取火花就是一個原始的案例，現在的電子打火機（圖7）和麥克風也都是利用正壓電效應進行工作。

圖7 打火機中壓電元件工作原理圖（圖片來自網絡）

而逆壓電效應大家可能比較陌生，它是利用電信號產生形變的一種效應。壓電材料之所以具有壓電效應，這和其低的晶胞對稱性是密切相關的，其空間結構都不具有對稱中心。圖8為壓電原理示意圖，壓電陶瓷由於正負離子中心不重合而誘導產生了電極化，這些電極化分布是混亂的，所以需要在電場下定向，讓它們「心往一處想，勁往一處使」。這時，壓電陶瓷的極化強度不再為零，但是我們不管用多麼精確的電壓表都無法探測到存在的極化強度，這是由於陶瓷的兩個端面吸附了一層來自外界的自由電荷，它屏蔽和抵消內極化強度對外界的作用。當受到外界壓力時，壓電陶瓷正負離子中心接近，極化強度降低，從而導致了吸附的自由電荷的釋放，當外力撤銷後，陶瓷片恢復原狀，正負離子中心遠離，又重新吸收自由電荷，這樣就實現了從力到電的轉化，如圖8上。同樣，如果對陶瓷施加與原來定向電場相同方向的電場，陶瓷正負離子中心遠離從而產生伸長的形變，如果方向相反，會產生縮短的形變，這就是逆壓電效應，如圖8下。

圖8 壓電效應的原理（圖片來自網絡）

新型無機壓電納米材料在醫療領域的展望

近年來，壓電性能的利用更是深入到納米領域，並產生了很多令人振奮的成果，可能帶來醫療領域的重大變革，壓電納米發電機（圖9左）就是其中的典型之一。壓電納米發電機的工作原理是氧化鋅納米線產生彎曲時，使鋅離子和氧離子產生了電勢能並形成外路電流。壓電納米發電機能夠利用人體活動產生的許多微小能量（比如肌肉收縮，血壓變化等），為整個納米系統的自供給打下堅實基礎。我們常常聽到的可以疏通血管的納米機器人（圖9右），就可以使用納米壓電材料，在人體本身的血壓變化中獲得能量，從而維持自身工作。

圖9 壓電納米發電機（左圖）和工作中的納米機器人（右圖）（圖片來自網絡）

現今，我們對陶瓷的印象已經不能只停留在日常生活中所用的生活器皿和文物館裡珍藏的藝術品。隨著科學技術的發展和陶瓷製備工藝的進步，新型多功能陶瓷已經在各個領域有著廣泛應用。壓電陶瓷就憑藉其特殊的壓電性在本次抗擊疫情的戰役中扮演了多面手的重要角色。而陶瓷界還有許多「超能力者」默默地施展自己的才華，期待著我們為其揭開面紗。

參考文獻：

1. 山東大學壓電鐵電物理研究室，壓電陶瓷及其應用[M]，山東人民出版社，1974。

2. Desilets C S, Fraser J, Kino G S, et al. The design of efficient broad-band piezoelectric transducers[J]. IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics, 1978, 25(3): 115-125.

3. Damjanovic D. Materials for high temperature piezoelectric transducers[J]. Current Opinion in Solid State & Materials Science, 1998, 3(5): 469-473.

4. Redwood M. Transient Performance of a Piezoelectric Transducer[J]. Journal of the Acoustical Society of America, 1961, 33(4): 527-536.

5. Wang Z L. Zinc oxide nanostructures: growth, properties and applications[J]. Journal of physics: condensed matter, 2004, 16(25): R829.

6. Badel A, Qiu J, Nakano T. Self-sensing force control of a piezoelectric actuator[J]. IEEE transactions on ultrasonics, ferroelectrics, and frequency control, 2008, 55(12): 2571-2581.

來源：中國科學院上海矽酸鹽研究所