BNT基無鉛鐵電陶瓷研究取得系列進展

2020-11-23 騰訊網

鐵電材料具有豐富的外場誘導相變行為和複雜的耦合效應，在能量存儲及轉換領域具有重要應用。目前工程上應用的主要材料是Pb(Zr,Ti)O3（PZT）體系，探索和研發新的材料體系，特別是無鉛材料體系，是當前鐵電材料領域研究熱點和發展趨勢。(Bi0.5Na0.5)TiO3（BNT）基鐵電陶瓷因具有優異的鐵電性能、弛豫特性以及微區結構複雜等特點備受關注，被認為是有望取代PZT基鐵電陶瓷的重要體系之一。但是純BNT鐵電陶瓷矯頑場大、電阻率低和退極化溫度（Td）低等缺點限制了其應用。如何通過組成和微結構設計增強BNT陶瓷的綜合性能以及揭示相關物理機制是該領域的一個重要課題。

最近，中國科學院上海矽酸鹽研究所信息功能材料與器件研究中心研究員董顯林和王根水帶領的研究團隊以BNT陶瓷為基體，通過組成和結構設計，實現了BNT鐵電陶瓷體系抗衝擊應力和電荷密度以及儲能密度和儲能效率等性能的顯著提升，並揭示了性能增強的物理機制。該團隊以BNT-BA材料體系為基體，固溶NaNbO3有效地調控陶瓷的相結構和顯微結構，獲得兼具高剩餘極化強度Pr（41μC/cm2）、低介電損耗、高電阻率和高Td（175oC）的陶瓷組分。通過等靜壓以及衝擊波加載實驗系統研究了BNT基鐵電陶瓷在衝擊波下的放電行為和物理機制，在8.2GPa衝擊壓力下釋放的電荷密度高達38 mC/cm2，比PZT95/5鐵電陶瓷提高~20%，抗衝擊應力和電荷密度均為目前報導的最大值。相關結果發表在Applied Physics Letters,113, 082901 (2018)、Journal of the American Ceramic Society, 101, 4044-4052 (2018)、Journal of Applied Physics,123, 036301 (2018)及Journal of the American Ceramic Society,102, 2569-2577 (2019)上。論文第一作者為博士研究生彭萍，通訊作者為董顯林和副研究員聶恆昌。

該團隊還通過弛豫調控策略設計了一種新型BNT基介電儲能陶瓷材料，儲能密度和儲能效率分別提高至3.08 J/cm3和81.4%。其設計思路是在BNT基體中引入Sr0.85Bi0.10.1TiO3（代表A位空位）及NaNbO3，通過引入A位空位及離子取代產生的應力失配和電荷不平衡形成局域隨機場，打破BNT基體中偶極子的長程有序結構，形成弱耦合極性納米微區，有利於獲得較高的儲能密度（Wrec）及儲能效率（h）。同時發現在RT~100℃及1Hz~100Hz測試條件下，其儲能特性還具有優異的穩定性，該材料有望成為介質儲能電容器的候選材料。相關工作發表在Journal of Materials Chemistry C,7, 6222-6230 (2019)和Rsc Advances,9, 21355-21362 (2019)上。論文第一作者為碩士研究生吳宜宸，通訊作者為王根水。

該團隊與應用單位合作，利用衝擊波加載實驗在BNT基鐵電陶瓷中獲得了目前報導最高的功率輸出密度，並揭示了其在高壓下的相變機制。相關結果發表在Physic Review Materials3, 035401 (2019)上。該論文第一作者為中國工程物理研究院流體物理研究所副研究員高志鵬，通訊作者為王根水。

以上研究結果表明BNT基鐵電陶瓷在鐵電體高功率脈衝技術和介質儲能電容器等方面具有潛在的應用前景。相關研究得到國家自然科學基金、上海市自然科學基金、中科院青年創新促進會、中國工程物理研究院院長基金的支持。

衝擊波加載下BNT基鐵電陶瓷放電特性及響應行為

通過弛豫策略調控的BNT基陶瓷及其弛豫特性和儲能特性表徵

來源：中國科學院上海矽酸鹽研究所

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