新型鐵電陶瓷研究獲進展

2020-12-06 騰訊網

鐵電陶瓷具有儲能密度高、放電速度快、貯存性能穩定等特點，在近代科學和高新技術領域中具有重要應用。傳統鐵電材料中鈣鈦礦結構的鋯鈦酸鉛（簡稱PZT）系列是應用面最廣的鐵電材料，也是目前國際上公認的、實現能量存儲和爆電換能的理想材料。但是，隨著新技術對高性能鐵電材料需求的增加和環境友好型社會的發展，探索新型無鉛鐵電材料體系變得越來越迫切。

近日，中國科學院上海矽酸鹽研究所研究員董顯林和王根水帶領的研究團隊發現了一種新型、高性能、無鉛鐵電材料(Ag0.935K0.065)NbO3（AKN），該材料比目前所用的含鉛鐵電陶瓷具有更高的能量存儲密度和更好的溫度穩定性，可用於能量存儲和爆電換能。該項工作提供了一種環境友好的鐵電陶瓷材料，相關研究成果發表在Science Advances上，論文第一作者為中科院上海矽酸鹽所與澳大利亞國立大學聯合培養博士生劉振，王根水和劉芸為文章共同通訊作者，上海矽酸鹽所為論文第一單位。

新材料的設計採用AgNbO3（AN）作為反鐵電相，KNbO3（KN）作為鐵電相構築鐵電——反鐵電相界，通過改變鐵電相KN的含量實現AKN鐵電陶瓷性能和相變壓力的調控。與傳統PZT系列鐵電陶瓷相比，AKN鐵電陶瓷具有更優異的儲能密度和溫度穩定性，使其在能量存儲和爆電換能應用中具有更優異的綜合性能。通過與澳大利亞國立大學教授劉芸團隊和美國賓夕法尼亞州立大學教授陳龍慶團隊合作，結合透射電鏡分析、壓力條件下原位中子衍射分析和唯象理論計算，揭示了AKN鐵電陶瓷爆電換能行為的物理機制為壓力誘導的氧八面體旋轉從a-a-c+型轉變為a-a-c-/a-a-c+型，這與壓力誘導的、不可逆的鐵電-反鐵電相變有關。

以上研究工作得到國家自然科學基金面上項目、中科院儀器研製項目、中科院青促會和上海市揚帆計劃等的資助。

AKN鐵電陶瓷的宏觀性能：（A）AKN壓力下的P-E曲線，（B）等靜壓下原位去極化曲線，（C和D）等靜壓下介電常數和介電損耗，（E）在6.9GPa衝擊壓力下的動態放電曲線，（F）與其他鐵電材料的儲能密度比較。

AKN鐵電陶瓷中子衍射：（A）不同狀態的AKN鐵電陶瓷，（B）不同等靜壓下極化AKN鐵電陶瓷的原位中子衍射，（C）不同等靜壓下極化AKN鐵電陶瓷中子衍射譜中1/2（321）和1/2（341）的積分面積，（D）不同等靜壓下未極化AKN鐵電陶瓷原位中子衍射。

AKN鐵電陶瓷FE和AFE相的唯象模擬：（A）AKN組成-壓力相圖，（B）能量等值線，（C）AKN鐵電陶瓷的能量分布，（D）AKN-0.08在不同等靜壓下的P-E曲線。

來源：中國科學院上海矽酸鹽研究所

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