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上海硅酸鹽所在反鐵電陶瓷溫致相變研究中取得重要進展
發布時間: 2022-04-11 22:29 | 【 【打印】【關閉】

  脈沖功率技術可以在極短的時間內釋放兆瓦級功率的電能量,在國家安全和國民經濟等領域都具有廣泛的應用。脈沖電容器是脈沖功率技術的關鍵儲能部件,它的性能表現對脈沖功率裝置的輕量化和小型化至關重要。PbZrO3基反鐵電陶瓷具有儲能密度高、放電速度快和放電電流大等優勢,是新一代高性能脈沖電容器的重要候選材料。然而,目前對該材料體系的研究主要聚焦在提高儲能密度和儲能效率上,反鐵電陶瓷在實際服役過程中的溫度穩定性研究甚少,導致高儲能密度和儲能效率的反鐵電陶瓷往往因為溫度穩定性差而無法滿足實際應用要求。 

  針對這一問題,中國科學院上海硅酸鹽研究所許鈁鈁研究員帶領的材料透射電鏡顯微結構表征團隊和王根水研究員帶領的鐵電陶瓷材料與器件研究團隊深入合作,綜合利用原位變溫透射電鏡技術和電學性能表征等手段對傳統(Pb0.97La0.02)(Zr0.50Sn0.50)O3PLZS)反鐵電陶瓷開展了溫致相變儲能及其結構演變的微觀機制研究。研究發現,PLZS反鐵電陶瓷從-177 °C350 °C的相變過程表現為反鐵電相多胞順電相簡單順電相的系列轉變,并首先在反鐵電溫區范圍內發現由多個等周期臺階組成的多晶型轉變,這一現象在凝聚態物理領域被稱為“魔梯(devil’s staircase)”,即調制結構的調制周期隨溫度呈現臺階式變化。深入的結構分析表明魔梯現象起源于材料中鐵電序構和反鐵電序構的相互競爭。并且,將這種相互競爭作用解耦成基本結構函數s(r)和調制結構函數f(r),就可以實現魔梯各臺階中極化序構sm(r)的定量描述,即sm(r) = s(r)+f(r) [s(r) = k,f(r) = Asin(2πqr+φ)]。由于魔梯各臺階中存在大量等周期的極化序構轉變,具有“魔梯”結構就可以延緩性能隨溫度的改變,從而實現溫度穩定性與儲能特性的協同優化,使得PLZS陶瓷在-55~85 °C工作溫度范圍內儲能密度在8.0~6.5 J/cm3間變化,變化率小于15%,儲能效率均高于83%(工作電場310 kV/cm),展現出良好的溫度穩定性,達到X5R電容器的溫度穩定性要求。 

  相關研究結果以“Discovery of electric devil’s staircase in perovskite antiferroelectric”為題發表在Science AdvancesDOI10.1126/sciadv.abl9088)。論文第一作者為上海硅酸鹽所在讀博士生李珍勤和傅正錢副研究員,論文通訊作者為傅正錢副研究員、陳學鋒研究員和許鈁鈁研究員,澳大利亞臥龍崗大學的張樹君教授參與了該項工作,華東師范大學的段純剛教授給予了有益的討論和建議。 

  該項工作得到了國家自然科學基金、上海市科技創新行動計劃和上海無機材料測試與表征技術平臺等項目的資助和支持。 

  文章鏈接: 

  https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abl9088

PLZS反鐵電陶瓷的溫致相變過程

調制結構的臺階式轉變行為

魔梯對儲能性能的積極作用

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