编者按：中科院之声与中国科学院上海硅酸盐研究所联合开设“科普硅立方”专栏，为大家介绍先进无机非金属材料的前世今生。我们将带你——认识晶格，挑战势垒，寻觅暗物质，今古论陶瓷；弥补缺陷，能级跃迁，嫦娥织外衣，溢彩话琉璃。
眼下新冠疫情全球蔓延，给世界各国人民的生命安全和身体健康带来严重威胁。
从疫情防控到疫病救治，我们离不开口罩、ICU呼吸机和超声医疗设备等医疗物资。然而，在这些医疗物资生产和供应的背后，有一种不为人所熟知的陶瓷材料起到了至关重要的作用。那就是本文的主人翁，陶瓷界的抗疫多面手——压电陶瓷材料。
压电陶瓷是指通过特定成份粉体原料的混合、合成、成型、高温烧结，从而得到的微细晶粒无规则集合体，该多晶体能够实现力与电的互相转化（如图1所示）。压电陶瓷的压电性能随烧结工艺和配方成分的不同而存在差异，因此其种类丰富且性能也各异。压电陶瓷具有压电性能强，易于制成各种形状等诸多优势，因此在各类压电材料中，其应用是最为广泛的。现在最常用的压电陶瓷是锆钛酸铅 Pb(Zr, Ti)O3 基压电陶瓷，这是一种人造材料，在1954年由美国科学家 Jaffe 等人发明。
图1常见压电陶瓷片（上海硅酸盐所供图）
抗击疫情中的多面手
压电陶瓷特殊的压电性能是如何在抗击疫情的各场战役中发挥作用的呢？下面我们为其揭开神秘的面纱。
图2 职场中的多面手从容应对各项挑战，抗击疫情中压电陶瓷就是多面手（图片来自网络）
（1） 抗击新冠重器——ICU呼吸机
呼吸机对于重症或者危重症的新型冠状病毒肺炎病人的治疗尤为重要。现在全世界范围内呼吸机都是稀缺产品。对于呼吸机的制造，基于压电陶瓷材料研制的压电阀是现代呼吸机的关键零部件之一（图3）。压电阀可以实现对氧气混合量的精确控制，而且由于压电阀在切换过程几乎无声，不会对日夜需要通过仪器进行辅助呼吸的病人造成噪音干扰，“随风潜入夜，润物细无声”，广受医疗界好评。
图3 呼吸机和压电阀（图片来自网络）
（2） 新冠防护盾牌——口罩
作为阻断新冠病毒传播的盾牌，口罩在“闷死”病毒的战役中居功至伟。在全世界巨大的使用需求下，全国的口罩机都在满负荷工作，为抗疫作出了巨大贡献。口罩机的工作也离不开神奇的压电陶瓷材料（图4）。
压电陶瓷材料在口罩机中主要作用是将口罩的各部分焊接起来。它的工作过程是，先由振荡电路振荡出高频电信号，然后由压电材料将其转化为高频的机械振动，该每秒上几十万次的振动加上气压缸产生压力通过焊头传导在塑料工件上，使塑料工件的接合面剧烈摩擦后熔化，振动停止后维持在工件上的短暂压力使两焊件以分子链接方式凝固为一体。一般焊接的时间都小于1秒，所得到的焊接强度可与本体媲美。
图4 记得带好口罩哦（图片来自网络）
图5 口罩机（左）及聚焦焊接换能器（右）（图片来自网络）
（3） 新冠病人监护常规兵——超声医疗设备
新冠疫情发生后，用于心电监测、血流诊断的超声医疗设备成为紧俏的战略物资。压电陶瓷材料是超声医疗设备的核心元器件（如图6）。例如，便携式多普勒血流探测仪是一种新型高科技医疗诊断仪器，由运动结构反射回来的超声波束的多普勒频移来提供人体器官（如心脏或者血液）的运动速度信息。该方法已被广泛应用于人体结构的临床诊断中，并具有相当高的诊断价值。
图6 多普勒血流探测仪（左）及压电流量计探头（右）（图片来自网络）
压电效应的原理揭秘
为什么压电材料能实现从电到力的相互转换？
这是由于压电材料具有正逆压电效应。正压电效应能实现从力到电的转换，可以发电。正压电效应其实大家并不陌生，人们很早就利用正压电效应——击打燧石（石英）获取火花就是一个原始的案例，现在的电子打火机（图7）和麦克风也都是利用正压电效应进行工作。
图7 打火机中压电元件工作原理图（图片来自网络）
而逆压电效应大家可能比较陌生，它是利用电信号产生形变的一种效应。压电材料之所以具有压电效应，这和其低的晶胞对称性是密切相关的，其空间结构都不具有对称中心。图8为压电原理示意图，压电陶瓷由于正负离子中心不重合而诱导产生了电极化，这些电极化分布是混乱的，所以需要在电场下定向，让它们“心往一处想，劲往一处使”。这时，压电陶瓷的极化强度不再为零，但是我们不管用多么精确的电压表都无法探测到存在的极化强度，这是由于陶瓷的两个端面吸附了一层来自外界的自由电荷，它屏蔽和抵消内极化强度对外界的作用。当受到外界压力时，压电陶瓷正负离子中心接近，极化强度降低，从而导致了吸附的自由电荷的释放，当外力撤销后，陶瓷片恢复原状，正负离子中心远离，又重新吸收自由电荷，这样就实现了从力到电的转化，如图8上。同样，如果对陶瓷施加与原来定向电场相同方向的电场，陶瓷正负离子中心远离从而产生伸长的形变，如果方向相反，会产生缩短的形变，这就是逆压电效应，如图8下。
图8 压电效应的原理（图片来自网络）
新型无机压电纳米材料在医疗领域的展望
近年来，压电性能的利用更是深入到纳米领域，并产生了很多令人振奋的成果，可能带来医疗领域的重大变革，压电纳米发电机（图9左）就是其中的典型之一。压电纳米发电机的工作原理是氧化锌纳米线产生弯曲时，使锌离子和氧离子产生了电势能并形成外路电流。压电纳米发电机能够利用人体活动产生的许多微小能量（比如肌肉收缩，血压变化等），为整个纳米系统的自供给打下坚实基础。我们常常听到的可以疏通血管的纳米机器人（图9右），就可以使用纳米压电材料，在人体本身的血压变化中获得能量，从而维持自身工作。
图9 压电纳米发电机（左图）和工作中的纳米机器人（右图）（图片来自网络）
现今，我们对陶瓷的印象已经不能只停留在日常生活中所用的生活器皿和文物馆里珍藏的艺术品。随着科学技术的发展和陶瓷制备工艺的进步，新型多功能陶瓷已经在各个领域有着广泛应用。压电陶瓷就凭借其特殊的压电性在本次抗击疫情的战役中扮演了多面手的重要角色。而陶瓷界还有许多“超能力者”默默地施展自己的才华，期待着我们为其揭开面纱。
参考文献：
1. 山东大学压电铁电物理研究室，压电陶瓷及其应用[M]，山东人民出版社，1974。
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来源：中国科学院上海硅酸盐研究所
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