铌酸钠(NaNbO3)无铅陶瓷由于其无毒和出色的储能性能，在脉冲功率电容器领域吸引了越来越多的关注。然而，由于较大的有效储能密度(Wrec)和高的储能效率(η)不能同时实现，限制了其商业化。通过构建局域随机场，增加弛豫特性来提高储能性能的策略。采用传统固相法制备了(1-x)(0.96NaNbO3-0.04CaZrO3)-xBi0.5Na0.5TiO3 (x=0.05、0.10、0.15、0.20)反铁电储能陶瓷，研究了不同含量Bi0.5Na0.5TiO3对0.96NaNbO3-0.04CaZrO3 陶瓷的相结构、微观形貌、介电性能和储能特性的影响。结果表明：随着Bi0.5Na0.5TiO3含量的增加，(1-x)(0.96NaNbO3-0.04CaZrO3)-xBi0.5Na0.5TiO3固溶体由反铁电正交P相(x≤0.10)转变为反铁电正交R相(x≥0.15)，同时介电峰向低温方向移动并变矮宽化，呈现出明显的弛豫特性。其中，0.85(0.96NaNbO3- 0.04CaZrO3)-0.15Bi0.5Na0.5TiO3陶瓷在室温260 kV/cm的场强下展示出最好的储能性能(储能密度Wrec=1.614 J/cm3，储能效率η=83.97%)，且当温度在25~150 ℃变化时，表现出良好的温度的稳定性(Wrec变化幅度＜15%)，同时兼具良好的储能效率，是一种非常有前途的高温脉冲功率电容器材料。
铌酸钠 反铁电陶瓷 储能性能 温度稳定性 sodium niobate antiferroelectric ceramics energy storage performance temperature stability
弛豫铁电材料因具有高的介电常数和压电系数而广泛应用于致动器、换能器等领域。实际使用中往往需要施加大信号激励驱动谐振，因此了解掌握大信号激励下的谐振特性变化极为重要。然而，目前这方面的研究却少有文献报道。针对这一问题，以二步氧化物固相反应法制备了高压电性Pb0.9625Sm0.025［(Mg1/3Nb2/3)0.71Ti0.29］O3陶瓷材料，用本人搭建的大信号谐振响应测试系统研究了驱动场幅值和温度对径向谐振特性的影响。结果表明：低驱动场下谐振响应能保持单一谐振峰直至完全退极化，但随着驱动场的增大谐振响应变得复杂，即使在低温也呈现多个谐振峰。谐振特性的变化与机械品质因子Qm、铁电宏畴尺寸及相组成密切相关，低Qm材料在大驱动场下产生的内热加速了宏畴裂解并引发了二级铁电相变。谐振特性的不稳定及较大谐振频率温度系数限制了Sm改性PMN-PT弛豫铁电陶瓷的应用，尤其是在大信号下。
弛豫铁电陶瓷 铌镁酸铅-钛酸铅 大信号 径向谐振响应 relaxor ferroelectric ceramics lead magnesium niobate-lead titanate large signal radial resonant responses
1 1.中南大学 粉末冶金研究院, 粉末冶金国家重点实验室, 长沙 410083
2 2.湖南省美程陶瓷科技有限公司, 娄底 417000
钛酸铋钠(Bi0.5Na0.5)TiO3(BNT)作为典型的钙钛矿型弛豫铁电体, 具有超高的场致应变, 是最有希望代替铅基体系的无铅压电体系之一。与铅基陶瓷相比, BNT基陶瓷具有驱动电压较高、迟滞较大以及温度稳定性差等劣势。为了优化无铅驱动器的应变性能, 本研究采用固相反应法制备(1-x){0.76(Bi0.5Na0.5)TiO3-0.24SrTiO3}-xNaNbO3(BNT- ST-xNN, x=0~0.03)无铅铁电陶瓷。结果表明, 当x=0.01时, 该陶瓷在较低电场(E=4 kV/mm)下的应变值可达到0.278%, 等效压电系数d*33高达695 pm/V。此时, 陶瓷处于非遍历/遍历弛豫相界处, 电场诱导弛豫-铁电相变导致大场致应变。与x=0.01相比, x=0.02时应变值为0.249%, 略微下降, 但迟滞却降低至43%。此外, 该应变在25~100 ℃温度范围内维持稳定。本研究表明, 在BNT基陶瓷中固溶SrTiO3和NaNbO3组元可以提高场致应变值, 同时维持较低的驱动电场和良好的温度稳定性, 可用于压电驱动器研制。
钛酸铋钠 无铅铁电陶瓷 场致应变 弛豫态 sodium bismuth titanate lead-free ferroelectric ceramics field-induced strain relaxed state
华中科技大学光学与电子信息学院, 武汉 430074
电卡效应通过电场诱导极性材料的相变和偶极子取向, 进而引起材料的熵变和温变、控制材料的吸、放热过程, 可用于热搬运和制冷。电卡制冷无须危害环境的制冷剂, 且具有效率高、体积小和重量轻的特点, 可为节能环保制冷技术的实现提供新的解决方案。铁电材料电卡效应的增强是电卡制冷走向实用的关键。铁电陶瓷极化率高、相结构丰富且调控方法多样, 在电卡效应研究中备受关注。本工作介绍了基于不同材料体系的铁电陶瓷薄膜、块体和多层厚膜的电卡效应, 讨论了电卡性能与材料配方、相变行为和微结构间的内在联系, 归纳了材料电卡效应的调控方法。最后, 对铁电陶瓷的未来研究进行了展望。
固态制冷 电卡效应 铁电陶瓷 相结构 熵变 温变 solid-state cooling electrocaloric effect ferroelectric ceramic phase structure entropy change temperature change
西安交通大学 电子陶瓷与器件教育部重点实验室, 国际电介质研究中心, 电子科学与工程学院 电信学部, 陕西 西安 710049
该文采用传统固相合成法制备了Bi0.5Na0.5Ti(1-x)HfxO3 (x=0, 0.02, 0.04和0.06)陶瓷, 通过X线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)表征了其相结构、微观表面, 并研究了其介电性能、铁电性能及比热容与相变的关系。通过构建电场和温度的条件, 共同调控铁电相变。再借助麦克斯韦方程, 通过间接法计算, 最终在50 ℃、70 kV/cm的电场下, 在Bi0.5Na0.5TiO3-0.04Hf陶瓷中通过诱导畴变得到了0.5 K的负电卡效应。
BNT基 电卡效应 无铅 钙钛矿 铁电陶瓷 BNT-based electrocaloric effect lead free perovskite ferroelectric ceramic
1 福建师范大学 化学与材料学院, 福州 350117
2 中国科学院 福建物质结构研究所, 光电材料化学与物理重点实验室, 福州 350002
铅基复合钙钛矿铁电材料广泛应用于机电传感器、致动器和换能器。二元铁电固溶体Pb(Ni1/3Nb2/3)O3- PbTiO3(PNN-PT)由于其在准同型相界(MPB)区域具有优异的压电、介电性能而备受关注。然而较大的介电损耗和较低的居里温度限制了其在高温高功率器件方面的应用。本研究通过引入Pb(In1/2Nb1/2)O3 (PIN)作为第三组元改善PNN-PT的电学性能, 提高其居里温度; 通过两步法合成了MPB区域的三元铁电陶瓷Pb(In1/2Nb1/2)O3- Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-PbTiO3 (PIN-PNN-PT), 研究了其结构、介电、铁电和压电性能。制备的所有组分陶瓷具有纯的钙钛矿结构。随着PT含量的增加, 陶瓷结构从三方相转变为四方相。通过XRD分析得到了室温下PIN-PNN-PT体系的MPB相图。体系的居里温度由于PIN的加入得到了很大的提高, 更重要的是PIN的引入降低了PNN-PT体系的介电损耗和电导。MPB处的组分展现出了优异的电学性能, 室温下, 性能最优组分为0.30PIN-0.33PNN-0.37PT: d33=417 pC/N, TC=200 ℃, ε′= 3206, tanδ=0.033, Pr=33.5 μC/cm2, EC=14.1 kV/cm。引入PNN-PT的PIN第三组元使得体系的居里温度和压电性得到提高的同时降低了的介电损耗和电导率, 因此, PIN-PNN-PT三元铁电陶瓷在高温高功率换能器等方面具备一定的应用潜力。
铁电陶瓷 准同型相界 居里温度 压电性能 ferroelectric ceramics morphotropic phase boundary Curie temperature piezoelectric properties
1 鄂尔多斯应用技术学院化学工程系，鄂尔多斯 017000
2 内蒙古久科康瑞环保科技有限公司，鄂尔多斯 017000
3 内蒙古一机富成锻造有限责任公司，包头 014030
4 内蒙古第一机械集团有限公司第三分公司，包头 014030
采用溶胶-水热法合成了具有单一钙钛矿结构的PZT反铁电陶瓷粉体。根据课题组前期的实验结果，选取的水热反应温度为180 ℃，水热反应时间为24 h，矿化剂KOH的浓度为3 mol/L，探讨了Pb的过量值对合成PZT陶瓷粉体的影响。实验发现，Pb的过量值过低，不足以补偿反应过程中Pb的损失量，A位的Pb缺失易导致PZT粉体结晶度的下降，颗粒结晶不完整。随着Pb过量值的增加，颗粒结晶增强，结晶也越完整。当Pb过量增加到10%时，实验获得了结晶良好的PZT粉体。因此，本实验Pb的最佳过量值为10%。
反铁电陶瓷 溶胶-水热法 Pb的过量值 钙钛矿结构 PbZr1-xTixO3 PbZr1-xTixO3 antiferroelectric ceramic sol-hydrothermal method excessive value of Pb perovskite structure
中国工程物理研究院 流体物理研究所, 四川 绵阳 621900
爆炸驱动铁电体脉冲电源利用铁电陶瓷在冲击压力作用下去极化释放电荷而产生电流，可以作为脉冲功率源的初始电源，也可直接驱动高阻抗负载产生脉冲高电压。通常情况下，铁电陶瓷可以看作理想的绝缘体，但在数GPa冲击波压力作用下，铁电陶瓷电阻率可能会明显下降并形成漏电导，使部分去极化释放电荷在铁电陶瓷内部流失，导致铁电陶瓷剩余极化电荷输出效率下降。以PZT95/5铁电陶瓷作为初始储能介质，以爆炸冲击波加载PZT95/5铁电陶瓷释放电荷对脉冲电容器充电，充电结束后电容器电压维持期间检测到明显的反向电流，根据铁电陶瓷输出电流和工作电压，得到冲击波作用过程中铁电陶瓷的瞬态电阻率曲线，并分析了电阻率下降对输出电荷的影响。进一步研究表明，冲击压力在铁电陶瓷边侧产生的稀疏波是引起电荷输出效率降低的主要因素，而铁电陶瓷电阻率下降对电荷输出效率的影响很小。
铁电陶瓷 去极化 脉冲电源 电阻率 电荷 ferroelectric ceramics depolarization pulsed power supply resistivity charge 强激光与粒子束
2018, 30(3): 035007
1 厦门大学材料学院材料科学与工程系, 福建 厦门 361005
2 福建省特种先进材料重点实验室, 厦门大学, 福建 厦门 361005
3 高性能陶瓷纤维教育部重点实验室, 厦门大学, 福建 厦门 361005
铁电陶瓷材料在外场加载下的畴变所引起的材料结构变化, 是导致材料性能衰变和破坏的主要原因, Raman光谱技术是一种研究铁电材料畴变和微结构变化的无损伤性及原位微区的观测方法。 采用传统固相法合成Zr/Ti原子比为53/478的掺镧锆钛酸铅(PLZT)铁电陶瓷材料 , 采用X射线衍射仪和扫描电子显微镜及Precision_LC铁电测试系统分别对试样进行结构形貌表征和铁电物理性能测试, 利用自制的应力加载装置与Raman光谱仪联用, 实现不同压应力场作用下试样的原位Raman谱测试, 考察和分析Raman谱软模E(2TO)和E(3TO+2LO)+B1的峰强和峰位随散射偏振方向的变化规律。 结果表明, 不同压应力场下Raman软模E(2TO)和E(3TO+2LO)+B1的峰强均随散射偏振角度呈现正弦式的变化规律, 在60°偏振角度上软模峰强最大, 在150°偏振角度上软模峰强最小。 随着压应力场的增加, 在0°和60°偏振角度获得的软模峰强随应力场的增加呈现明显的下降趋势, 而在90°和150°偏振角度获得的软模峰强基本不变。 压应力场变化对PLZT陶瓷的Raman软模E(2TO)和E(3TO+2LO)+B1的峰位均不产生影响。
铁电陶瓷 压应力场 原位观测 偏振角度 Raman软模 Ferroelectric ceramics Compressive stresses In-situ observation Polarization degrees Raman soft modes 光谱学与光谱分析
2017, 37(7): 2073
1 中国工程物理研究院 流体物理研究所, 四川 绵阳 621900
2 中国工程物理研究院 脉冲功率科学与技术重点实验室, 四川 绵阳 621900
重复频率爆炸发射阴极(EEC)是产生高功率重复频率强流电子束的关键。阐述了爆炸发射的尖端场增强和闪络引发机制，分析了影响EEC重复频率运行的因素，综述了EEC研究现状并总结了几种EEC特性，指出实现重复频率发射阴极的方法在于探索新型材料和改进结构。提出采用六硼化镧(LaB6)作为EEC材料和适用于“单焦斑”多幅闪光照相工业冷阴极二极管(IXD)的新型阴极结构--轮辐状金属铁电陶瓷复合阴极，并对其前景进行展望。
重复频率爆炸发射阴极 闪光照相 闪络 六硼化镧 轮辐状金属铁电陶瓷复合阴极 repetitive explosive emission cathode flash radiography flashover LaB6 metalspoked ceramic compound cathode
