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【金沙手机娱乐网址】通讯了课题组在铁电陶瓷储能材质商讨方面获得的关键拓宽,李敬锋教授课题组对铌酸银的反铁电性及其储能特性开展研商

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6月19日,清华大学材料学院李敬锋教授课题组在《先进材料》(Advanced
Materials)上在线发表了题为高性能铌钽酸银无铅反铁电储能陶瓷(Lead-Free
Antiferroelectric Silver Niobate Tantalate with High Energy Storage
Performance)
的研究论文,报道了课题组在铁电陶瓷储能材料研究方面取得的重要进展。该项成果不仅发现了一种具有高储能密度和良好温度稳定性的无铅反铁电陶瓷材料,而且其反铁电性增强机制的研究为无铅反铁电储能陶瓷材料的研发提供了新思路。

清华材料学院李敬锋课题组发现高储能密度无铅反铁电陶瓷材料


清华新闻网6月20日电
6月19日,清华大学材料学院李敬锋教授课题组在《先进材料》(Advanced
Materials
)上在线发表了题为“高性能铌钽酸银无铅反铁电储能陶瓷”(Lead-Free
Antiferroelectric Silver Niobate Tantalate with High Energy Storage
Performance)
的研究论文,报道了课题组在铁电陶瓷储能材料研究方面取得的重要进展。该项成果不仅发现了一种具有高储能密度和良好温度稳定性的无铅反铁电陶瓷材料,而且其反铁电性增强机制的研究为无铅反铁电储能陶瓷材料的研发提供了新思路。

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图1 Ag(Nb1-xTax)O3陶瓷的电滞回线、可释放储能密度和能量效率。

储能材料与器件是近年来功能材料领域的研究热点,其中具有高储能密度和高可靠性电介质储能材料在高能脉冲功率技术等领域有着不可替代的应用。这方面具有双电滞回线特征的反铁电储能材料一直备受关注,但过去的研究主要集中在锆钛酸铅(Pb(Zr,Ti)O3)体系。基于在铌酸盐基无铅压电陶瓷方面的长期工作经验上,李敬锋教授课题组对铌酸银的反铁电性及其储能特性开展研究,发现钽掺杂可以调控AgNbO3的相变,显著提升介电击穿强度和反铁电性,其最大可释放储能密度达到4.2
J/cm3,比纯AgNbO3提升了260%,且在20-120℃内可释放储能密度的变化幅度维持在±5%以内。

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图2 Ag(Nb,Ta)O3陶瓷的微观形貌、介电击穿强度、介温谱及相图。

论文第一作者为材料学院博士后赵磊,通讯作者为清华大学材料学院李敬锋教授,澳大利亚伍伦贡大学创新材料研究所张树君教授为共同通讯作者。本项研究得到了国家自然科学基金重点项目、973项目和中国博士后基金等项目的支持。

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供稿:材料学院 编辑:华山

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图1 Ag(Nb1-xTax)O3陶瓷的电滞回线、可释放储能密度和能量效率。

反铁电材料可广泛应用于大位移驱动器、高功率脉冲电容器、能量存储器件等元器件,在航空航天、精密精仪和高端装备制造业应用前景广阔。由于传统反铁电材料普遍含铅,对环境安全存在一定隐患。而目前无铅反铁电陶瓷材料仍面临反铁电相稳定性差、难以重复利用等技术难题,从而制约了其进一步推广应用。合肥工业大学10月10日消息,该校材料科学与工程学院左如忠教授及其科研团队,成功研发出一种具有稳定反铁电相结构的新型无铅陶瓷材料,为未来无铅反铁电材料的进一步组成设计和结构研究奠定了理论和技术基础。

储能材料与器件是近年来功能材料领域的研究热点,其中具有高储能密度和高可靠性电介质储能材料在高能脉冲功率技术等领域有着不可替代的应用。这方面具有双电滞回线特征的反铁电储能材料一直备受关注,但过去的研究主要集中在锆钛酸铅(Pb(Zr,Ti)O3)体系。基于在铌酸盐基无铅压电陶瓷方面的长期工作经验上,李敬锋教授课题组对铌酸银的反铁电性及其储能特性开展研究,发现钽掺杂可以调控AgNbO3的相变,显著提升介电击穿强度和反铁电性,其最大可释放储能密度达到4.2
J/cm3,比纯AgNbO3提升了260%,且在20-120℃内可释放储能密度的变化幅度维持在5%以内。

该团队通过掺杂改性及固相合成技术,成功制备出一种具有稳定反铁电相结构的铌酸钠基无铅陶瓷材料,该材料在电场周期中呈现出重复可利用的反铁电相到铁电相的相变特性、典型双电滞回线特征的极化-电场曲线以及完全无负应变的豆芽状应变-电场曲线。该研究成果对稳定NN陶瓷反铁电性的机理及其技术路径提出新的思路,在解决NN陶瓷反铁电性难以利用这一技术和科学难题上迈出重要一步,有望推动NN基无铅反铁电陶瓷材料在大位移驱动器、能量存储等技术领域的应用。相关成果近期发表在国际著名学术期刊《Acta
Materialia》上。论文的合作者为付健副教授和祁核博士。

图2 Ag(Nb,Ta)O3陶瓷的微观形貌、介电击穿强度、介温谱及相图。

反铁电材料中相邻的两个子晶格极化强度相等而极性相反,因而宏观上不呈现净电偶极矩。在电场作用下反铁电相会被诱发为铁电有序相。伴随着相变过程,晶胞体积和极化强度均快速增加,因而反铁电材料在大位移驱动器、高功率脉冲电容器、能量存储器件等领域具有非常大的应用潜力。NN是一种备受关注的无铅反铁电材料,然而该陶瓷材料中的反铁电相的稳定性差,和具有正交结构的铁电相具有相似的自由能而常常在室温下共存,使其反铁电性在电场周期中难以重复利用。如何有效稳定NN基无铅陶瓷中的反铁电相结构,并深入理解其电致应变特性及其结构机理已成为了该领域的一个研究热点。

论文第一作者为材料学院博士后赵磊,通讯作者为清华大学材料学院李敬锋教授,澳大利亚伍伦贡大学创新材料研究所张树君教授为共同通讯作者。本项研究得到了国家自然科学基金重点项目、973项目和中国博士后基金等项目的支持。

该研究团队采用传统固相合成技术,通过掺杂具有不同半径的钡、钙离子,制备出稳定可调的无铅反铁电陶瓷材料。典型可逆的双电滞回线和可反复获得的无负应变的双极应变曲线表明该材料具有稳定的反铁电性质和优异的电场诱发的电致应变特性。

同时,该团队采用透射电子显微镜和原位/非原位同步辐射X射线衍射技术,对该材料的电畴形貌、空间对称性及其对电场响应的特征等方面进行了深入研究,成功探明了该新型材料的反铁电性特征和应变机制,有望进一步推动无铅反铁电材料领域的研究。

图1. NN基反铁电陶瓷的显微形貌、介电和铁电性能

图2. NN基反铁电陶瓷的同步辐射X射线衍射数据

图3. NN基反铁电陶瓷的宏观电致应变

研究结果表明,容差因子较小的组元有助于稳定反铁电相,而容差因子较大的组元有助于稳定铁电有序相。在NN基无铅反铁电陶瓷中,宏观应变的特点是纵向应变为正值,而横向应变为负值,整个体积应变贡献为20%。这一发现挑战了人们对传统铅基反铁电陶瓷材料在纵横两个方向上的应变都为正值的传统认知。该研究有望推动了无铅反铁电材料领域的研究,并为未来无铅反铁电材料的进一步组成设计和结构研究奠定了理论和技术基础。

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