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电致伸缩材料的研究进展张涵琦【摘要】电致伸缩材料因其优异的性能在智能机器人、航空航天、光学系统、微电子和生物传感领域具有重要的作用.目前,研究较多的电致伸缩材料有弛豫铁电体、介电弹性体和导电聚合物等三类.本研究概述了上述三类材料的最新研究进展,指出其各自优势及存在的不足,并根据存在的问题提出展望,以期加快该类材料的发展与应用.【期刊名称】《化工中间体》【年(卷),期】2018(000)012【总页数】2页(P4-5)【关键词】电致伸缩材料;介电弹性体;弛豫铁电体;导电聚合物;智能驱动器【作者】张涵琦【作者单位】郑州外国语新枫杨学校河南 450000【正文语种】中文【中图分类】T1.引言电致伸缩材料因其出色的物理、化学和机械性能在机器人、人工肌肉、自动调焦等领域有广泛的潜在应用。
这类材料能够在通电的条件下产生形变，其应变量与电场强度的二次项成正比，并将电能转化为机械能，从而实现能量的转换。
电致伸缩材料在电刺激下产生形变的方式多样，主要有以下几类：（1）通过正负离子的移动来产生形变的；（2）通过材料本身的电偶和效应的改变实现应变；（3）凭借分子内作用力的变化或化学键的变化而变化。
电致伸缩材料具有良好的光学、力学和机械等性能，与此同时它还对电、机、热、声、光具有很高的敏感性，因此在诸多电力转换领域有潜在的用途。
但是，目前研究的电致伸缩材料主要存在有弹性系数低、介电常数小、使用寿命短、易失效、材料易被击穿等问题，因此极大的限制了该类材料的广泛应用。
本文综述了三类常见的电致伸缩材料，总结了最新的研究进展，并根据存在的问题提出了展望。
2.研究内容目前，研究较多的电致伸缩材料主要有以下三类，分别是：弛豫铁电体，介电弹性体和导电聚合物。
下面分别做详细的介绍。
(1)弛豫铁电体弛豫铁电体是一种有多个能在电场中发生可变的自发极化的并呈现出短程有序，长程无序的电致伸缩材料。
弛豫铁电体分为聚合物与氧化物陶瓷两大类，其中弛豫铁电聚合物具有刚性与截面应力较高，工作密度高（约为肌肉的25倍）等优点，而弛豫铁电体氧化物陶瓷具有无剩余极化和无老化特性等优点，成为近些年研究的热点。
电致和磁致伸缩材料的功能1 电致材料1.1 电致伸缩效应电致伸缩效应是一种机电祸合效应它是指当外电场作用于电介质上时, 所产生的应变正比于电场强度或极化强度的平方的现象由于电致伸缩效应引起的应变与外加电场的方向无关, 所以一般固体电介质都能产生电致伸缩效应。
1.2 电致伸缩材料电致伸缩效应在一切固体电介质中都有, 但其大小不同因为应变正比于介电常数的平方, 所以铁电体在其相变温度附近应该有较大的应变从应用上看, 要求加一个不太强的电场, 能够产生足够大的应变, 而且应变与电场的关系没有滞后, 重复性好, 同时还要求温度效应小为此, 应该选择介电常数大并属于扩散相变的材料此外还要求平均居里温度在室温以下, 接近室温, 扩散区较长目前, 大部分铁电体及一些非铁电体如石英、碱卤晶体等材料的电致伸缩系数都已经测量到了，已经发现电致伸缩效应显著的材料有：铌镁酸铅一钦酸铅固溶体（PMN-PT）,铌镁酸铅一钦酸铅一铌锌酸钡固溶体（PMN-PT-BNZ）,掺钡的错钦酸铅(Ba2PZT),掺翻的锆酸铅（La2PZT）。
1.3 电致伸缩材料的发展方向一、多元化压电陶瓷按其所组成的固溶体的化合物成分构成可分为一元系压电陶瓷, 如钛酸钡(BaTiO3)、钛酸铅(PbTiO3)和偏铌酸铅(Pb(NbO3)2)等;二元系压电陶瓷, 如目前使用最多的锆钛酸铅(xPbZrO3-(1- x )PbTiO3或Pb(Zr x Ti1-x O3)),这是目前使用最为广泛的PZT 系列压电陶瓷;三元系及多元系压电陶瓷,通常是在具有钙钛矿型结构的PZT二元系中再加入第三种或第四种化学通式为ABO3型化合物而形成三元系或多元系固溶体,以获得所需要的宽性能调节范围, 得到不同性能参数的压电陶瓷,以满足不同的市场需求。
与PZT 压电陶瓷相比,三元系或多元系压电陶瓷的烧结性能良好,不但烧成温度范围宽,而且PbO 挥发也少,陶瓷的工艺重现性好,易获得气孔率少的致密陶瓷体,可获得具有高机械强度和电气性能, 及在某些方面有显著特点的压电陶瓷。
电致伸缩材料电致伸缩材料是一种能够在外加电场作用下发生形变的智能材料，具有广泛的应用前景。
它可以在电场的作用下实现形变，具有快速响应、高效能转换、轻质化等优点，因此在柔性电子、智能结构、生物医学器械等领域具有重要的应用价值。
本文将介绍电致伸缩材料的原理、特点及应用前景。
电致伸缩材料的原理是基于电场作用下的形变效应。
通常情况下，电致伸缩材料由两种或两种以上的材料组成，当外加电场作用时，材料内部会发生电荷分布的变化，从而引起材料的形变。
这种形变可以是线性的伸长或收缩，也可以是非线性的扭转或弯曲，具体形变效应取决于材料的结构和电场的作用方式。
电致伸缩材料具有快速响应的特点，当外加电场施加或撤离时，材料能够迅速实现形变，响应速度快，具有良好的实时性。
同时，电致伸缩材料的能量转换效率高，能够将电能转化为机械能，实现能量的有效利用。
此外，由于电致伸缩材料通常采用轻质化材料制备而成，因此具有良好的轻质化特性，适用于轻量化设计的需求。
电致伸缩材料在柔性电子领域具有广泛的应用前景。
例如，可将其应用于柔性电子设备的致动器和传感器中，实现设备的柔性化和智能化。
另外，在智能结构领域，电致伸缩材料可用于智能材料的制备，实现结构的形变和控制。
而在生物医学器械领域，电致伸缩材料也能够用于人工肌肉和人工器官的制备，为医疗健康领域带来新的发展机遇。
综上所述，电致伸缩材料作为一种智能材料，具有快速响应、高效能转换、轻质化等优点，具有广泛的应用前景。
在未来的发展中，电致伸缩材料将在柔性电子、智能结构、生物医学器械等领域发挥重要作用，为相关领域的发展带来新的机遇和挑战。
希望本文的介绍能够为读者对电致伸缩材料有更深入的了解，并为相关领域的研究和应用提供一定的参考价值。
电致伸缩相关资料电致伸缩原理任何电介质在外电场E的作用下都会出现应力,这种应力的大小与E的二次项成线性关系,这种效应被称为电致伸缩(electrostriction)效应,这一比例于电场二次项的应力将使电介质产生相应的应变,称为电致伸缩应变。
性质电致伸缩应变是由电场中电介质的极化所引起,发生在所有的电介质中,其特征是应变的正负与外电场方向无关。
电致伸缩效应的优点在于它的电场--应变关系非常稳定,不会随时间以及电场的反复循环而发生变化。
一般认为,引起电场—应变关系的因素有两个电致伸缩效应,由它引起的应变可以理解为因极化度的改变而相应发生的应变应力,由它引起的应变与物质的介电性能和弹性有关。
发展现状目前研究较多的电致伸缩材料主要有两种：电致伸缩陶瓷和聚氨酯。
电致伸缩陶瓷：自 1980 年以来美国宾夕法尼亚大学的 L. E. Cross 和日本东京工业大学的内野研二等人合作研究陆续发表了几篇 PMN-PT 体系的电致伸缩效应的论文，认为这种新的 PMN 体系陶瓷材料具有较大的电致伸缩效应，可作为一种优良的换能器材料，为此不仅获得了美国海军的大量自助而且也使电致伸缩效应获得到了广泛关注。
大量的研究表明，弛豫铁电体具有良好的电致伸缩性能，而且其滞后，回零性和重复性好，因此其在微位移器等诸多方面有着广阔的应用前景。
但是对电致伸缩材料的研究一开始只是停留在含铅体系上，经过各方的研究探索开发了诸多具有良好综合性能的电致伸缩材料，而从近几年国际上环保意识的增强，开始对有毒含铅材料进行限制，无铅弛豫电致伸缩材料逐渐开始成为人们的研究重点。
比如钛酸钡钙基无铅铁电陶瓷（哈尔滨工业大学，李彩霞，《钛酸钡钙基无铅铁电陶瓷的压电性和多铁性研究》，2014）。
E. Burcsu曾报道钛酸钡单晶的电致伸缩性能，在20k V/cm 的电场下能获得的最大应变为 0.8%。
研究开发性能较好的无铅电致伸缩材料不仅具有一定的理论意义，而且对于工程应用来说也具有不可估量的实用价值。
电致伸缩原理嘿，你有没有想过，在我们看不见的微观世界里，有些材料就像拥有魔法一样，只要给它们通上电，就能发生奇妙的变化？今天呀，我就来给你讲讲这个超级有趣的电致伸缩原理。
我有个朋友叫小李，他是个科技迷。
有一次我们在聊天的时候，他就像发现新大陆一样跟我说：“你知道吗？有些材料通电之后会伸长或者缩短呢！”我当时就瞪大了眼睛，觉得这简直太不可思议了。
“啥？材料还能像小机器人一样听电的话，变长变短？”小李看着我那惊讶的样子，笑着说：“这就是电致伸缩呀，可神奇了。
”那这电致伸缩到底是怎么一回事呢？其实呀，从微观的角度来看，材料是由好多好多小单元组成的，就像一个个小小的积木块搭成了一个大房子。
这些小单元呢，可能是原子、离子或者分子。
当我们给这种具有电致伸缩性质的材料通电的时候，就相当于给这些小单元注入了一股力量。
想象一下，这些小单元就像一群小小的士兵。
在没有通电的时候，他们就按照自己原来的队形站着。
可是一旦通电了，就好像指挥官下达了一个特殊的命令，这些小士兵们就开始调整自己的位置。
这种位置的调整可不是乱调的，而是有规律的。
比如说，在某些晶体材料里，里面的离子就像一个个带电的小球。
通电之后，由于电场的作用，这些带电小球之间的相互作用力就发生了变化。
有的离子可能被吸引得更紧了，有的可能被推得稍微远一点。
这一紧一松的变化，反映在宏观上，就是材料的伸长或者缩短。
这就好比是我们拉一个弹簧，如果两边的拉力变了，弹簧的长度就会跟着变，只不过电致伸缩比这个要复杂得多，也神奇得多。
还有一种情况呢，在一些聚合物材料中，分子链就像长长的绳子。
平时这些分子链是杂乱地缠绕在一起的。
当通上电之后，电场就像一只无形的手，开始整理这些分子链。
分子链顺着电场的方向开始排列得更加整齐，这一排列的过程也会让材料的形状发生改变，可能就会变长或者变短。
这多像我们整理一团乱麻呀，只不过这团乱麻是在电场这个神奇的力量下自动整理的。
那电致伸缩有啥用呢？我又跟另一个搞工程的朋友老张聊起这个事儿。
所谓磁致伸缩是铁磁物质(磁性材料）由于磁化状态的改变，其尺寸在各方向发生变化。
磁致伸缩现象大家知道物质有热胀冷缩的现象。
除了加热外，磁场和电场也会导致物体尺寸的伸长或缩短。
铁磁性物质在外磁场作用下，其尺寸伸长（或缩短），去掉外磁场后，其又恢复原来的长度，这种现象称为磁致伸缩现象（或效应）。
另外有些物质（多数是金属氧化物）在电场作用下，其尺寸也伸长（或缩短），去掉外磁场后又恢复其原来的尺寸，这种现象称为电致伸缩现象。
磁致伸缩效应可用磁致伸缩系数（或应变）λ来描述，λ＝（lH—lo）／lo， lo为原来的长度，1 H为物质在外磁场作用下伸长（或缩短）后的长度。
一般铁磁性物质的λ很小，约百万分之一，通常用 p pm代表。
例如金属镍（Ni）的λ约40ppm。
磁致伸缩材料自从发现物质的磁致伸缩效应后，人们就一直想利用这一物理效应来制造有用的功能器件与设备。
为此人们研究和发展了一系列磁致伸缩材料，主要有三大类：即：磁致伸缩的金属与合金，如镍和金煤（Ni）基合金（Ni， Ni－Co 合金， Ni－Co－Cr合金）和铁基合金（如 F e－Ni合金， Fe－Al合金， Fe－ Co－V合金等）和铁氧体磁致伸缩材料，如 N i－Co和 Ni－Co－Cu铁氧体材料等。
这两种称为传统磁致伸缩材料，其λ值（在20—80ppm之间）过小，它们没有得到推广应用，后来人们发现了电致伸缩材料，如（ Pb， Zr，Ti）C03材料，（简称为 P ZT或称压电陶瓷材料），其电致伸缩系数比金属与合金的大约200~400ppm，它很快得到广泛应用；第三大类是近期发展的稀土金属间化合物磁致伸缩材料，例如以（ Tb，Dy）Fe 2化合物为基体的合金 Tbo0．3Dy0．7Fe1．95材料（下面简称 T b－Dy—Fe材料）的λ达到1500~2000ppm，比前两类材料的λ大1~2个数量级，因此称为稀土超磁致伸缩材料。
特点和传统超磁致伸缩材料及压电陶瓷材料（PZT）相比，稀土超磁致伸缩材料是佼佼者，它具有下列优点：磁致伸缩应变λ比纯 N i大50倍，比PZT材料大5—25倍，比纯 N i和 Ni－Co 合金高400~800倍，比PZT材料高14~30倍；磁致伸缩应变时产生的推力很大，直径约 l0mm 的 Tb－Dy－Fe的棒材，磁致伸缩时产生约200公斤的推力：能量转换效率（用机电耦合系数 K33表示）高达70％，而 Ni基合金仅有16％，PZT材料仅有40~60％；其弹性模量随磁场而变化，可调控；响应时间（由施加磁场到产生相应的应变λ所需的时间称响应时间）仅百万分之一秒，比人的思维还快；频率特性好，可在低频率（几十至1000赫兹）下工作，工作频带宽；稳定性好，可靠性高，其磁致伸缩性能不随时间而变化，无疲劳，无过热失效问题。
