納米壓電材料有望替代低能耗電池
來源：上海納動納米位移技術有限公司
2018年05月10日 10:08
壓電材料及其運用
壓電體是指這樣一類材料，當它們受到外加機械壓力時，內部便能產生電壓。此外，壓電體在電場的作用下，其物理特性也會發生變化。目前常見的壓電體為晶體或陶瓷，水晶（α-石英）是一種有名的壓電晶體。卡金解釋說，自供電技術的關鍵是壓電體。“壓電體”的英文單詞“piezoelectrics”源于希臘文“piezein”，其含意是“topress”（施壓）。
壓電材料早在1880年就被法國科學家發現了，所以并不是一個新概念，早在*次世界大戰中，壓電材料就已經用在聲波導航、測距和定位裝置中了。在當今社會，麥克風和石英手表中都有壓電材料。安裝在麥克風上的壓電晶片會把聲音的振動轉變為電流的變化。聲波一碰到壓電薄片，就會使薄片兩端電極上產生電荷，其大小和符號隨著聲音的變化而變化。這種壓電晶片上電荷的變化，再通過電子裝置，可以變成無線電波傳到遙遠的地方。這些無線電波為收音機所接收，并通過安放在收音機喇叭上的壓電晶體薄片的振動，又變成聲音回蕩在空中。是不是可以這樣說，麥克風中的壓電晶片能“聽得見”聲音，而揚聲器上的壓電晶體薄片則會“說話”或“唱歌”。
汽車中的點火裝置也含有壓電材料，當按下點火按鈕的時候，按壓會接觸到壓電晶體并對其產生壓力，收到壓力的壓電晶體就會產生足夠的電壓，電壓產生的火花能夠點燃氣體，發動汽車。
甚至在歐洲的一些夜總會內也安裝了含有壓電材料的特制地板，這種地板能夠吸收夜總會顧客跳舞時舞步所產生的能量，并將這些能量轉換成電能，為夜總會中的電燈提供能量。據報道，香港體育館準備利用這種技術，將前來運動的人員腳步聲轉換成電能，維持館內的電燈和音樂播放器所需的能量。
材料雖小影響非凡
隨著壓電材料運用越來越廣泛，科學家們想到將其用于低能耗電子產品中，但傳統的壓電材料都太“大”，于是研制納米級別的壓電材料成為科研人員的全新領域。
卡金教授和休斯頓大學的同行合作，通過研究發現，厚度為21納米左右的壓電材料轉化聲波的能力zui強，能夠將聲波能量轉化成電能的效率提高。而且由于納米材料的敏感性，比21納米大或小的其他級別納米材料都不能達到這么高的能量轉換效率。
壓電材料界的專家表示，卡金的這一新發現將會對低能耗電子產品帶來極大影響，這一新材料將會在手機、筆記本電腦、通信裝置以及其他普遍消費的電子產品如mp3播放器上大展身手，許多消費者因為對電池充電后使用時間的不滿，而希望有東西能夠取代這些電池。
這種壓電材料還可能用于戰場。在現代化戰爭中，戰士們通常會攜帶很多*的電子設備，比如爆炸物探測裝置，一旦其內的電池沒有電了，戰士們就無法工作，而如果在傳感器中裝著納米壓電材料，通過采集攜帶裝置戰士腳步的能量，并將其轉換成電能，探測任務就會順利完成了，這種自發電技術將會在戰爭中普遍使用。
所以卡金的納米壓電材料雖然很小，只有21納米厚，但其影響卻是非同小可。
卡金認為，在壓電材料的應用不斷發展時，壓電材料在納米級的研究卻是一個相當新的嘗試，人們需要考慮眾多不同和復雜的問題。打個比方，如果讓你將研究的內容從亭大小的物體轉至頭發大小的材料，那么你自然會發現其中的難處。他表示，事實上，研究對象尺寸發生變化后，其對外界條件的反應特性也隨之不同。在小尺寸材料的研究中，這些變化必須要納入考慮的范圍。
卡金說：“當材料縮小到納米級尺寸時，它們的某些性能特征出現了極大的變化。壓電材料就具有這樣的變化特征。我們發現當它們的厚度介于20納米至23納米之間時，其壓電效率提高了%。”他表示，目前他們在研究基本自然規律，并試圖將之應用于更理想的工程材料的開發。此外，他們還將了解壓電材料的化學結構和物理成分，以便采用改變材料結構的手段來提高它們的性能。
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