创制“超级压电陶瓷”  中国科学家突破压电材料“死亡禁区”

蜜蜂大小的无人机穿梭探测，手术机器人在血管中巡游作业，可捕捉细胞早期病变的新一代B超，拥有真实触觉反馈的VR世界……这些科幻场景的实现，长期以来都卡在一个关键瓶颈上——缺少一种能把“力”与“电”进行超高效、超灵敏转换的“超级压电陶瓷”。如今，中国科研团队给出了突破性的答案。

1月29日，《科学》期刊在线发表了一项来自中国科研团队的里程碑式成果。西安交通大学讲座教授、甬江实验室上席研究员任晓兵领衔的甬江实验室-西安交大联合团队创制出“超级压电陶瓷”，将经典多晶压电陶瓷的核心性能指标——压电系数提升超10倍，一举打破该领域长达70余年的性能停滞。这项研究不仅实现了材料性能的飞跃，更开创了主动压电器件的新范式，让材料稳定工作在曾被视为“禁区”的理论性能巅峰。

持续15年的逆向突围

一切始于2009年那个大胆的猜想。时任西安交通大学前沿科学技术研究院院长的任晓兵在国际物理期刊上提出，在压电材料的相图多相交汇处，存在一个“三临界点”，此处各相间能量壁垒消失，材料响应理论上趋于无穷。“这就像是压电性能的‘珠穆朗玛峰’。”任晓兵这样形容。

然而，这座“理论高峰”的位置却让学界陷入困境——它恰恰位于传统压电材料的居里温度附近。在既有认知中，这个温度是压电材料的“死亡温度”，一旦接近，热扰动就会迅速打乱材料内部的有序结构，导致压电性能完全丧失。“我们发现了一座金矿，却发现一靠近它就会死亡。”任晓兵的比喻道出了这个领域的长期悖论。

面对这一困境，研究团队选择了逆向思考。他们不再试图让材料避开这个“死亡温度”以保全“生命”，而是转向思考，能否让材料在这个温度下“活”下来，并高效工作？这一思路的转变，催生了压电器件“主动工作模式”的创新。

“就像在珠穆朗玛峰建立营地。”任晓兵解释说，“我们不仅需要优秀的登山队员，更需要一套强大的生命支持系统。”研究团队为压电材料构建了这样的系统：通过集成微区热管理技术将材料温度精确稳定在理论奇点，同时施加微小偏置电场，持续引导材料内部亿万电偶极子有序排列，抵消热扰动的破坏。

这一创新让不可能变为可能。基于廉价多晶锆钛酸铅的压电陶瓷，其压电系数从传统材料的不足600皮库仑/牛顿，一举跃升至6850皮库仑/牛顿，创下新的世界纪录。更令人振奋的是，在室温至350℃的宽温范围内，材料能稳定保持超过6000皮库仑/牛顿的高性能输出。

一场深刻的范式变革

这项突破的意义远不止于一项性能纪录的刷新，它代表着一场深层次的范式革命。

过去70余年，压电材料的发展始终围绕着“优化材料本身”展开，追求材料在舒适区的固定高性能。但这种方法存在天然局限——材料性能受环境温度波动影响显著，难以在极端条件下稳定工作。

“传统思路就像期待运动员在任何环境下都能跑出最好成绩。”任晓兵说，“而我们的新范式，是为运动员提供最适合的比赛环境。”研究团队开创的“主动工作模式”，正是通过外部调控系统，将材料动态“锁定”在最佳工作状态，实现高性能与强环境适应性的统一。

这一转变带来了革命性的成果。相比于传统压电陶瓷性能长期停滞在200—600皮库仑/牛顿区间，高端单晶虽能达到2000皮库仑/牛顿量级但“造价堪比黄金、稳定性差并极其脆弱”，任晓兵表示，新创制的“超级压电陶瓷”不仅性能大幅超越，更具备工程实用所需的稳定性和经济性。

“就像人体需要稳定的37℃环境，但有了宇航服，人类就能在太空中正常工作。”任晓兵用这个生动的比喻阐释新范式的核心思想，“三临界主动压电器件就是给超级材料穿上了‘智能宇航服’，让它能在极端工况下稳定发挥。”

这项历时15年的研究，完成了从理论预言到器件创新的全链条闭环。随着“超级压电陶瓷”的问世，一系列前沿应用获得了关键材料支撑——从微型机器人、细胞级超声成像到高保真触觉交互，这些技术的实现步伐将大幅加快。