近日，合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院付健副教授課題組在脈沖大功率陶瓷靜電電容器和高性能高溫壓電陶瓷等電介質(zhì)材料領(lǐng)域取得系列研究進展，相關(guān)研究成果分別以“Superior electrostatic storage energy under moderate electric field of superparaelectrics with highly polarizable clusters”和“Elaborately-designed high-performance BiFeO3-PbTiO3ceramics through refreshing phase boundary”為題發(fā)表于國際知名學(xué)術(shù)期刊《Advanced Functional Materials》與《Acta Materialia》。
電介質(zhì)陶瓷脈沖功率電容器因其高功率密度、極快的充放電速度等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于電力電子以及國防軍工等高技術(shù)領(lǐng)域。近年來，盡管電介質(zhì)陶瓷材料的儲能密度有了明顯的提升，然而往往需要施加超高的驅(qū)動電場（70 kV/mm到90 kV/mm），不利于相關(guān)電子設(shè)備的長時間使用。此外，高的儲能密度依賴于高的極化強度，因而，降低驅(qū)動電場往往會降低材料的儲能密度。針對上述問題，研究團隊基于相場模擬，以經(jīng)典的模型鐵電體BaTiO3為例，提出構(gòu)建具有局部多相共存的高極性納米團簇的超順電弛豫鐵電體（圖1），成功實現(xiàn)了中等電場強度下高儲能密度（9.11 J/cm3）和高儲能效率（95.3 %），且在25 °C到150°C范圍內(nèi)具有良好的溫度穩(wěn)定性。該研究為開發(fā)高性電介質(zhì)陶瓷儲能電容器，特別是提升弱極化電介質(zhì)陶瓷材料儲能性能提供了新的思路。合肥工業(yè)大學(xué)為論文的第一作者和通訊作者單位，論文第一作者為碩士研究生蘇飛宇、博士研究生余自德（共一）和安徽工程大學(xué)張祎博士（共一），通訊作者為付健副教授、北京科技大學(xué)施小明博士、中科院上硅所胡騰飛博士、淮南師范學(xué)院/安徽工程大學(xué)左如忠教授。其他重要合作者還有中科院上硅所傅正錢副研究員和海南大學(xué)祁核教授等。
由于具有高的居里溫度，高溫壓電陶瓷廣泛應(yīng)用于航空航天、核能、石油鉆探等領(lǐng)域作為高溫傳感器、高溫超聲波定位探測器等。鐵酸鉍-鈦酸鉛（BiFeO3-PbTiO3，BF-PT）材料體系在準同型相界處盡管具有高的居里溫度，但也存在晶格畸變大、氧八面體扭轉(zhuǎn)嚴重、矯頑場高和壓電性能弱等缺點，極大地制約了該材料的發(fā)展和實際應(yīng)用，而常規(guī)的組成調(diào)控手段往往會大幅度犧牲材料的居里溫度，且壓電系數(shù)的提升程度有限。為此，研究團隊基于熱力學(xué)分析，提出通過引入極化各向異性低的偽立方相替代傳統(tǒng)BF-PT體系中具有氧八面體傾斜的鐵電三方相，有效地降低了共存相間的能量勢壘，同時調(diào)整四方相晶格畸變以及平衡四方相含量和四方相晶格畸變（圖2）。通過同步輻射原位電場XRD、極化標度律和壓電非線性定量分析發(fā)現(xiàn)，這種雙重調(diào)控策略顯著增強了疇壁運動對壓電響應(yīng)的非本征貢獻，并保持較大的四方畸變以實現(xiàn)高居里溫度，從而獲得了高達410 pC/N的壓電系數(shù)和416 °C的高居里溫度，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)三方-四方相界BF-PT基陶瓷。此外，在室溫到360°C范圍還表現(xiàn)出良好的溫度穩(wěn)定性，壓電系數(shù)的變化小于10 %。該研究為平衡BF基壓電陶瓷體系中壓電系數(shù)與居里溫度矛盾這一長期挑戰(zhàn)提出了突破性的解決方案。合肥工業(yè)大學(xué)為論文的第一和通訊作者單位，論文第一作者為材料科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生余自德，付健副教授和安徽工程大學(xué)左如忠教授為通訊作者。
圖1 BaTiO3基鈣鈦礦A位極化補償機制與相場模擬
圖2 BF-PT基體系的新型相界設(shè)計策略和壓電性能的同步輻射原位電場XRD定量分析
相關(guān)研究工作得到了國家自然科學(xué)基金面上項目，安徽省重點研發(fā)計劃以及安徽省自然科學(xué)基金面上項目等項目的支持。
文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120580
文章鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202500988
來源：合肥工業(yè)大學(xué)
原文鏈接：https://news.hfut.edu.cn/info/1011/71311.htm
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