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上海硅酸盐所在新型铁电陶瓷研究方面取得重要进展

发布时间: 2020-5-27

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相关研究背景:

铁电陶瓷具有储能密度高、放电速度快、贮存性能稳定等特点,在近代科学和高新技术领域中具有重要应用。传统铁电材料中钙钛矿结构的锆钛酸铅(简称PZT)系列是应用面最广的铁电材料,也是目前国际上公认的、实现能量存储和爆电换能的理想材料。但是,随着新技术对高性能铁电材料需求的增加和环境友好型社会的发展,探索新型无铅铁电材料体系变得越来越迫切。


相关研究进展:

近日,中国科学院上海硅酸盐研究所董显林研究员和王根水研究员带领的研究团队发现了一种新型、高性能、无铅铁电材料(Ag0.935K0.065)NbO3(AKN),该材料比目前所用的含铅铁电陶瓷具有更高的能量存储密度和更好的温度稳定性,可用于能量存储和爆电换能。该项工作提供了一种环境友好的铁电陶瓷材料,相关研究成果发表在Science Advances上,论文第一作者为中国科学院上海硅酸盐研究所与澳大利亚国立大学联合培养博士生刘振,王根水研究员和刘芸教授为文章共同通讯作者,上海硅酸盐所为论文第一单位。


新材料的设计采用AgNbO3(AN)作为反铁电相,KNbO3(KN)作为铁电相构筑铁电——反铁电相界,通过改变铁电相KN的含量实现AKN铁电陶瓷性能和相变压力的调控。与传统PZT系列铁电陶瓷相比,AKN铁电陶瓷具有更优异的储能密度和温度稳定性,使其在能量存储和爆电换能应用中具有更优异的综合性能。通过与澳大利亚国立大学刘芸教授的团队和美国宾夕法尼亚州立大学陈龙庆教授的团队合作,结合透射电镜分析、压力条件下原位中子衍射分析和唯象理论计算,揭示了AKN铁电陶瓷爆电换能行为的物理机制为压力诱导的氧八面体旋转从a-a-c+型转变为a-a-c-/a-a-c+型,这与压力诱导的、不可逆的铁电-反铁电相变有关。



AKN铁电陶瓷的宏观性能:

(A)AKN压力下的P-E曲线,

(B)等静压下原位去极化曲线,

(C和D)等静压下介电常数和介电损耗,

(E)在6.9GPa冲击压力下的动态放电曲线,

(F)与其他铁电材料的储能密度比较。






AKN铁电陶瓷中子衍射:

(A)不同状态的AKN铁电陶瓷,

(B)不同等静压下极化AKN铁电陶瓷的原位中子衍射,

(C)不同等静压下极化AKN铁电陶瓷中子衍射谱中1/2(321)和1/2(341)的积分面积,

(D)不同等静压下未极化AKN铁电陶瓷原位中子衍射。





AKN铁电陶瓷FE和AFE相的唯象模拟:

(A)AKN组成-压力相图,

(B)能量等值线,

(C)AKN铁电陶瓷的能量分布,

(D)AKN-0.08在不同等静压下的P-E曲线。


文章链接:

https://advances.sciencemag.org/content/6/21/eaba0367



以上研究工作得到国家自然科学基金面上项目、中科院仪器研制项目、中科院青促会和上海市扬帆计划等项目的资助。



人物简介:


董显林:

中科传感技术(青岛)研究院院长

中国科学院上海硅酸盐研究所副所长

主要从事信息功能材料与器件研究工作。主持国家、中科院和上海市科研项目40多项,组织研制的多种关键功能材料已在我国十多种型号任务和航空航天、医疗系统、油气勘探等领域中得到应用。在国内外SCI刊物发表学术论文近400多篇,申请中国发明专利100余项,授权60多项。获上海市技术发明一等奖和中国科学院科技促进发展奖科技贡献奖二等奖,中国科学院青年科学家奖、上海市领军人才、上海市嘉定区科技功臣、上海市优秀青年科技启明星和上海市科技系统“十大杰出青年”、上海市五一劳动奖章等奖励,享受国务院政府特殊津贴。


王根水:

中科传感技术(青岛)研究院学术委员会成员

中国科学院无机功能材料与器件重点实验室副主任

中国科学院上海硅酸盐研究所信息功能材料与器件研究中心副主任

主要从事铁电压电材料与器件研究,主持科技部、国家自然科学基金委、装发、科工局、中国科学院及上海市等30多项科研项目,组织研制的多种铁电、热释电、反铁电材料获得了工程化应用。以第一作者及通讯作者发表SCI论文100多篇;授权中国发明专利50余项。获上海市科技启明星及其跟踪计划,上海硅酸盐研究所首届青年才俊奖,柳大纲优秀青年科技奖,上海市嘉定区科技领军人才奖,国家自然科学基金委-中物院联合 (NSAF) 基金优秀奖。任上海市红外与遥感学会副理事长,《无机材料学报》副主编。




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