上海矽酸鹽所在BNT基無鉛鐵電陶瓷研究方面取得系列進展

文章來源:上海矽酸鹽研究所  |  發布時間:2019-11-08  |  【打印】 【關閉

  

  鐵電材料具有豐富的外場誘導相變行爲和複雜的耦合效應,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)O3PZT)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)TiO3BNT)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,被認爲是有望取代 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,中國科學院上海硅酸盐研究所信息功能材料与器件研究中心董显林研究员和王根水研究员带领的研究团队以BNT陶瓷爲基體,通過組成和結構設計,實現了BNT鐵電陶瓷體系抗沖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材料體系爲基體,固溶NaNbO3有效地調控陶瓷的相結構和顯微結構,獲得兼具高剩余極化強度Pr41μC/cm2)、低介電損耗、高電阻率和高Td175oC)的陶瓷組分。通過等靜壓以及沖擊波加載實驗系統研究了BNT基鐵電陶瓷在沖擊波下的放電行爲和物理機制,在8.2GPa沖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%,抗沖擊應力和電荷密度均爲目前報道的最大值。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)Journal of the American Ceramic Society, 102, 2569-2577 (2019)上。論文第一作者爲博士研究生彭萍,通訊作者爲董顯林研究員和聶恒昌副研究員。 

  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/cm381.4%。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位空位及離子取代産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,有利于獲得較高的儲能密度(Wrec)及儲能效率(h)。同時發現在RT~1001Hz~100Hz測試條件下,其儲能特性還具有優異的穩定性,該材料有望成爲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)Rsc Advances, 9, 21355-21362 (2019)上。論文第一作者爲碩士研究生吳宜宸,通訊作者爲王根水研究員。 

  該團隊與應用單位合作,利用沖擊波加載實驗在BNT基鐵電陶瓷中獲得了目前報道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 Materials 3, 035401 (2019)上。該論文第一作者爲中國工程物理研究院流體物理研究所高志鵬副研究員,通訊作者爲王根水研究員。 

  以上研究結果表明BNT基鐵電陶瓷在鐵電體高功率脈沖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、中國科學院青年创新促进会中國工程物理研究院院長基金的支持。 

  

沖擊波加載下BNT基鐵電陶瓷放電特性及響應行爲

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征