【儀表網 研發快訊】近日，合肥工業大學材料科學與工程學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材料領域取得系列研究進展，相關研究成果分別以“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”為題發表于國際知名學術期刊《Advanced Functional Materials》與《Acta Materialia》。
電介質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點，廣泛應用于電力電子以及國防軍工等高技術領域。近年來，盡管電介質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動電場(70 kV/mm到90 kV/mm)，不利于相關電子設備的長時間使用。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，以經典的模型鐵電體BaTiO3為例，提出構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范圍內具有良好的溫度穩定性。該研究為開發高性電介質陶瓷儲能電容器，特別是提升弱極化電介質陶瓷材料儲能性能提供了新的思路。合肥工業大學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)和安徽工程大學張祎博士(共一)，通訊作者為付健副教授、北京科技大學施小明博士、中科院上硅所胡騰飛博士、淮南師范學院/安徽工程大學左如忠教授。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祁核教授等。
由于具有高的居里溫度，高溫壓電陶瓷廣泛應用于航空航天、核能、石油鉆探等領域作為高溫傳感器、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展和實際應用，而常規的組成調控手段往往會大幅度犧牲材料的居里溫度，且壓電系數的提升程度有限。為此，研究團隊基于熱力學分析，提出通過引入極化各向異性低的偽立方相替代傳統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現，這種雙重調控策略顯著增強了疇壁運動對壓電響應的非本征貢獻，并保持較大的四方畸變以實現高居里溫度，從而獲得了高達410 pC/N的壓電系數和416 °C的高居里溫度，顯著優于傳統三方-四方相界BF-PT基陶瓷。此外，在室溫到360°C范圍還表現出良好的溫度穩定性，壓電系數的變化小于10 %。該研究為平衡BF基壓電陶瓷體系中壓電系數與居里溫度矛盾這一長期挑戰提出了突破性的解決方案。合肥工業大學為論文的第一和通訊作者單位，論文第一作者為材料科學與工程學院博士研究生余自德，付健副教授和安徽工程大學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計策略和壓電性能的同步輻射原位電場XRD定量分析
相關研究工作得到了國家自然科學基金面上項目，安徽省重點研發計劃以及安徽省自然科學基金面上項目等項目的支持。
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