我校在电介质材料领域取得系列新进展

来源：合肥工业大学时间：2025-03-20 22:28:58

近日，我校材料科学与工程学院付健副教授课题组在脉冲大功率陶瓷静电电容器和高性能高温压电陶瓷等电介质材料领域取得系列研究进展，相关研究成果分别以“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”为题发表于国际知名学术期刊《Advanced Functional Materials》与《Acta Materialia》。

电介质陶瓷脉冲功率电容器因其高功率密度、极快的充放电速度等优点，广泛应用于电力电子以及国防军工等高技术领域。近年来，尽管电介质陶瓷材料的储能密度有了明显的提升，然而往往需要施加超高的驱动电场（70 kV/mm到90 kV/mm），不利于相关电子设备的长时间使用。此外，高的储能密度依赖于高的极化强度，因而，降低驱动电场往往会降低材料的储能密度。针对上述问题，研究团队基于相场模拟，以经典的模型铁电体BaTiO₃为例，提出构建具有局部多相共存的高极性纳米团簇的超顺电弛豫铁电体（图1），成功实现了中等电场强度下高储能密度（9.11 J/cm³）和高储能效率（95.3 %），且在25 °C到150°C范围内具有良好的温度稳定性。该研究为开发高性电介质陶瓷储能电容器，特别是提升弱极化电介质陶瓷材料储能性能提供了新的思路。合肥工业大学为论文的第一作者和通讯作者单位，论文第一作者为硕士研究生苏飞宇、博士研究生余自德（共一）和安徽工程大学张祎博士（共一），通讯作者为付健副教授、北京科技大学施小明博士、中科院上硅所胡腾飞博士、淮南师范学院/安徽工程大学左如忠教授。其他重要合作者还有中科院上硅所傅正钱副研究员和海南大学祁核教授等。

由于具有高的居里温度，高温压电陶瓷广泛应用于航空航天、核能、石油钻探等领域作为高温传感器、高温超声波定位探测器等。铁酸铋-钛酸铅（BiFeO₃-PbTiO₃，BF-PT）材料体系在准同型相界处尽管具有高的居里温度，但也存在晶格畸变大、氧八面体扭转严重、矫顽场高和压电性能弱等缺点，极大地制约了该材料的发展和实际应用，而常规的组成调控手段往往会大幅度牺牲材料的居里温度，且压电系数的提升程度有限。为此，研究团队基于热力学分析，提出通过引入极化各向异性低的伪立方相替代传统BF-PT体系中具有氧八面体倾斜的铁电三方相，有效地降低了共存相间的能量势垒，同时调整四方相晶格畸变以及平衡四方相含量和四方相晶格畸变（图2）。通过同步辐射原位电场XRD、极化标度律和压电非线性定量分析发现，这种双重调控策略显著增强了畴壁运动对压电响应的非本征贡献，并保持较大的四方畸变以实现高居里温度，从而获得了高达410 pC/N的压电系数和416 °C的高居里温度，显著优于传统三方-四方相界BF-PT基陶瓷。此外，在室温到360°C范围还表现出良好的温度稳定性，压电系数的变化小于10 %。该研究为平衡BF基压电陶瓷体系中压电系数与居里温度矛盾这一长期挑战提出了突破性的解决方案。合肥工业大学为论文的第一和通讯作者单位，论文第一作者为材料科学与工程学院博士研究生余自德，付健副教授和安徽工程大学左如忠教授为通讯作者。