BNT基无铅铁电陶瓷研究取得系列进展

发布时间:2019-11-16 09:41:16

铁电材料具有丰富的外场诱导相变行为和复杂的耦合效应,在储能和转换领域有着重要的应用。目前工程中使用的主要材料是Pb(ZR,Ti)O3(PZT)系统。探索和开发新的材料体系,特别是无铅材料体系,是目前铁电材料领域的研究热点和发展趋势。(Bi0.5Na0。5)TiO3(BNT)基铁电陶瓷由于其优异的铁电性能、弛豫性能和复杂的显微结构而备受关注,被认为是取代PZT基铁电陶瓷的重要体系之一。然而,纯BNT铁电陶瓷由于其大的矫顽力场、低的电阻和低的去极化温度(TD)限制了其应用。如何通过成分和微观结构设计来提高BNT陶瓷的综合性能,揭示其相关物理机制,是这一领域的一个重要课题。

最近,由中国科学院上海硅酸盐研究所信息与功能材料与设备研究中心研究员董显林和王根水领导的研究小组以BNT陶瓷为基础,通过组成和结构设计,揭示了BNT铁电陶瓷系统的冲击应力和电荷密度,以及BNT铁电陶瓷系统的储能密度和储能效率,揭示了提高BNT铁电陶瓷系统性能的物理机制。以BNT-Ba材料体系为基体,固溶体纳米BO3有效地调节了陶瓷的相结构和微观结构,获得了高剩余极化强度Pr(41)的陶瓷组分。穆。C/cm2),低介电损耗,高电阻率,高TD(175℃)。采用等静压和冲击波加载实验系统,研究了BNT基铁电陶瓷在冲击波作用下的放电行为和物理机理。在冲击压力为8时,电荷密度释放。2GPa高达38mC/cm2,比pzt95/5铁电陶瓷提高了20%。冲击应力和电荷密度都是报道的最大值。应用物理字母,113,082901(2018),journaloftheamericanceramicsociety,101,4044-4052(2018),日志应用物理,123,036301(2018)及journaloftheamericanceramicsociety,102,2569-2577(2019)上。第一位作者是博士。彭萍,博士生,来文作者聂恒昌,董先林,研究员。

研究小组还通过松弛控制策略设计了一种新型的BNT基介质储能陶瓷,使储能密度和储能效率提高到81。4%和81分别为4%。设计思想是引入sr0。85bi010.1TiO3(对于空位)和nanbo3通过引入空位和离子取代引起的应力失配和电荷不平衡而形成局部随机场,破坏了BNT矩阵中偶极子的长程有序结构,形成弱耦合的极性纳米线,有利于获得较高的储能密度(WREC)和储能效率(H)。同时发现,RT~100℃和1Hz~100Hz的储能特性具有良好的稳定性,有望成为介质储能电容器的候选材料。相关工作发表在材料简讯杂志上,7,6222-6230(2019年)和RSCAdvantage,9,21355-21362(2019年)。论文的第一作者是吴宜宸,他是一名研究生,来文的作者是王根水。

与应用单位合作,通过冲击波加载实验,获得了BNT基铁电陶瓷的最高功率输出密度,揭示了其高压相变机理。研究结果发表在物理评论材料3,035401(2019)上。本文第一作者是中国工程物理研究院流体物理研究所副研究员高志鹏,来文作者是王根水。

上述结果表明,BNT基铁电陶瓷在铁电高功率脉冲技术和介质储能电容器方面具有潜在的应用前景。有关研究得到了国家自然科学基金、上海自然科学基金、中科院青年创新促进会和中国工程物理研究院院长基金的支持。

BNT基铁电陶瓷在冲击波作用下的放电特性及响应特性

BNT基陶瓷弛豫策略及其弛豫和储能特性

资料来源:中国科学院上海硅酸盐研究所