国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310000
近年来，高功率、高能量密度的电容器成为新的研究热点，其在脉冲功率系统小型化和轻量化的发展中具有重要意义。本工作以BaTiO3-Bi(Mg0.5Zr0.25Ti0.25)O3固溶体为研究对象，致力于提高BaTiO3基陶瓷材料的储能密度，系统探究了不同含量的Bi(Mg0.5Zr0.25Ti0.25)O3对BaTiO3基陶瓷材料微观结构以及介电、铁电和储能性能的影响。采用标准固相烧结法制备出致密的(1-x)BaTiO3-xBi(Mg0.5Zr0.25Ti0.25)O3 (x=0.03、0.06、0.1、0.3、0.4)陶瓷。通过调整预烧及烧结条件，获得了陶瓷的最佳烧结工艺。随着x的增大，(1-x)BaTiO3-xBi(Mg0.5Zr0.25Ti0.25)O3陶瓷的室温晶体结构由四方相转变为立方相，同时材料从正常铁电体逐渐转变为弛豫型铁电体，介电常数峰值展宽，并在室温至500 ℃的温度范围内基本保持稳定。采用修正的Curie-Weiss定律和Vogel-Fulcher关系对陶瓷介电弛豫行为进行了深入分析。在极化特性方面，Bi(Mg0.5Zr0.25Ti0.25)O3成分的加入能够显著降低剩余极化强度(Pr)，增大介电强度，使电滞回线变细长，并使电滞回线中电场对极化的积分面积变大，从而使材料的储能密度得到提高。材料的最大储能密度大致呈先升高后降低的趋势，储能效率从75.08%提高到92.35%，并且在x=0.1时获得了最高的储能密度0.8 J/cm3 (储能效率为88.97%)。
钛酸钡 储能介质陶瓷 弛豫型铁电体 介电性能 储能特性 barium titanate dielectric energy storage relaxor ferroelectrics dielectric properties energy storage properties
电卡效应是指电介质材料中由于施加或去除电场导致的材料温度变化的现象, 包括正电卡效应和负电卡效应两种类型。电卡效应作为一种高效率、无噪音、环境友好的制冷效应, 在固态制冷特别是集成电路制冷领域显示出广阔的应用前景, 在过去的几十年中吸引了科研人员广泛的研究兴趣。研究表明, 通过结合正负电卡效应, 可以显著提高电卡效应的制冷能力。与正电卡效应不同, 负电卡效应因其独特的物理起源, 调控手段极为有限。本文以负电卡效应为中心, 重点介绍反铁电材料中负电卡效应的最新研究进展, 具体内容包括以下四个部分: 首先, 从电卡效应的研究历史出发, 介绍了电卡效应的制冷原理, 介绍了一个典型的能将正、负电卡效应结合的双制冷循环; 其次, 介绍了基于Maxwell关系的负电卡效应间接测试方法, 以及几种负电卡效应直接测试方法, 并讨论了不同方法的适用条件和优缺点; 再次, 以典型的负电卡效应材料——反铁电材料为例, 着重介绍了负电卡效应的物理起源, 综述了反铁电薄膜和反铁电块体材料中的负电卡效应, 并对其它铁电材料中的负电卡效应做了简要介绍; 最后, 对负电卡效应的研究进行了总结和展望。
负电卡效应 反铁电体 PbZrO3 综述 negative electrocaloric effect antiferroelectric PbZrO3 review
1 国网陕西省电力有限公司电力科学研究院, 西安 710100
2 国网(西安)环保技术中心有限公司, 西安 710100
3 国网陕西省电力有限公司, 西安 710048
4 国网陕西省电力有限公司渭南供电公司, 渭南 714000
5 国家电网有限公司, 北京 100031
本文采用传统固相反应法, 成功制备了新型无铅弛豫铁电陶瓷(1-x)［0.9BaTiO3-0.1Bi(Mg0.25Ta0.5)O3］-xBi0.5Na0.5TiO3。结果表明, 较高居里温度的Bi0.5Na0.5TiO3的引入, 使得材料体系中建立了更多的以Bi-O耦合为主的极性纳米区域, 弥补了因Bi(Mg0.25Ta0.5)O3的加入导致的宏观极化强度的减少, 提高了材料的饱和极化强度, 实现了较高储能密度的同时具有更好的温度稳定性。在245 kV/cm电场强度下, x=0.2样品的储能密度约为4.01 J/cm3, 储能效率约为84.86%, 同时该组分在20~170 ℃储能密度的变化率小于5%, 储能效率的变化率小于6%, 表现出优异的温度稳定性。
无铅 弛豫铁电体 能量存储 BaTiO3基陶瓷 储能效率 温度稳定性 lead free relaxor ferroelectric energy storage BaTiO3 based ceramics energy storage efficiency temperature stability
西安交通大学, 多功能材料与结构教育部重点实验室, 西安 710049
钙钛矿型(ABO3)弛豫铁电单晶具有优异的机电耦合性能, 被认为是研制下一代医疗超声换能器、高精度压电驱动器、水声换能器等机电耦合器件的核心关键材料。针对弛豫铁电单晶材料制备与物理性能方面尚存在的基础科学与工艺问题, 本文综述了近些年弛豫铁电单晶生长与性能优化方面的研究进展, 包括若干新的单晶生长方法用以改善弛豫铁电单晶的成分和性能均匀性, 提升弛豫铁电单晶压电性能的系列新方法, 通过铁电畴结构调控以获得高透光率的弛豫铁电单晶, 以及高性能弛豫铁电单晶在电光技术领域的应用等。
弛豫铁电体 单晶生长 布里奇曼法 畴工程 掺杂 性能优化 压电性能 relaxor ferroelectric single crystal growth Bridgman method domain engineering doping property optimization piezoelectric property 人工晶体学报
2022, 51(9-10): 1643
北京工业大学 材料与制造学部, 北京 100124
采用铌铁矿前驱体两步法制备了Pb(Zn1/3Nb2/3)0.2(Hf1-xTix)0.8O3(PZNH1-xTx)钙钛矿压电陶瓷, 研究了铪钛比对陶瓷相结构、电学性能和能量收集特性的影响。结果表明, 当x=0.52时, 陶瓷样品位于准同型相界, 具有最优综合压电性能: 居里温度TC=287 ℃, 品质因数FOM≈14 753×10-15 m2/N, 压电电荷常数d33=492 pC/N。由该组成材料构建的悬臂梁型压电能量收集器输出功率密度高达4.16 μW/mm3, 所转化的电能可成功点亮138盏并联的LED灯。结果表明, PZNHT陶瓷在压电能量收集领域具有良好的应用潜力。
钙钛矿陶瓷 弛豫铁电体 准同型相界 压电性 压电能量收集 perovskite ceramics relaxor-ferroelectrics morphotropic phase boundary piezoelectrity piezoelectric energy harvesting
北京信息科技大学 传感器重点实验室,北京 100192
有机-无机压电材料是一种分子铁电体, 具有柔性、结构灵活、易成膜、全液相合成及环保节能等优点, 可满足新一代薄膜器件及可穿戴设备的需求。该文以三甲基卤代甲基铵(TMXM, X=F, Cl, Br)为有机部分, MnCl2为无机部分, 通过溶液蒸发法制备了具有钙钛矿分子结构的有机-无机压电材料三甲基氯三氯化锰(TMCM-MnCl3), 并对其分子结构组成、压电、热学、声学及铁电性进行表征。结果表明, TMCM-MnCl3的压电常数为106 pC/N, 居里温度为130 ℃, 声阻抗值约为16.5 MRayl, 低于压电陶瓷PZT-4(大于33 MRayl), 具有广阔的应用前景。
压电材料 铁电体 钙钛矿 声阻抗 piezoelectric materials ferroelectrics perovskite acoustic impedance
强激光与粒子束
2022, 34(7): 075017
钛酸钡(BaTiO3)陶瓷作为传统的介质电容器材料，其强铁电性会导致储能密度低下，但通过掺杂可以削弱铁电性来获得弛豫铁电体，提高储能性能。利用铋系化合物可增强弛豫特性，本文设计了BiScO3和(Sr0.7Bi0.2)TiO3取代改性的BaTiO3基三元陶瓷材料: (0.99-x)Ba(Zr0.1Ti0.9)O3-x(Sr0.7Bi0.2)TiO3-0.01BiScO3(缩写为BZT-xSBT-BS)。采用传统固相法制备的BZT-xSBT-BS陶瓷，相结构没有因为掺杂发生改变，在室温下均为纯的三方相钙钛矿结构。介电和铁电的测试与分析表明，BZT-xSBT-BS陶瓷具有典型的弛豫铁电特性。由于不等价离子Sr2+、Bi3+的掺杂导致界面松弛极化，可以增大BZT-xSBT-BS陶瓷的介电常数，但是受制于其慢的响应速度，陶瓷的介电损耗也显著增加。适量(Sr0.7Bi0.2)TiO3可以提升BZT-xSBT-BS陶瓷的介电、铁电、应变和储能性能，x=0.015时的BZT-xSBT-BS陶瓷的综合性能较优: εr~10 372,tanδ~0.019,Pmax=16.42 μC/cm2，Ec=1.41 kV/cm，S+max=0.12%(@40 kV/cm),WD=0.181 J/cm3，η=80.4%(@60 kV/cm)。
BaTiO3基陶瓷 固相法 弛豫铁电体 介质电容器 介电性能 铁电性能 储能 BaTiO3-based dielectric ceramic (Sr0.7Bi0.2)TiO3 (Sr0.7Bi0.2)TiO3 solid-state method relaxor ferroelectric dielectric capacitor dielectric property ferroelectric property energy storage
四川大学 材料科学与工程学院,四川 成都 610064
该文采用传统固态反应法制备了Ca1-x(Li0.5Ce0.4Pr0.1)xBi2Ta2O9(x为摩尔分数)陶瓷, 研究了(Li0.5Ce0.4Pr0.1)2+复合离子不同掺杂浓度对陶瓷结构和电学性质的影响。结果表明, 在选定浓度范围内, (Li0.5Ce0.4Pr0.1)2+复合离子改善了CaBi2Ta2O9基陶瓷的压电活性与高温下的直流电阻等特性。当x=0.08时, 陶瓷具有最佳综合性能, 即压电常数d33=10.3 pC/N, 居里温度TC=928 ℃, 直流电阻率ρ=1.12×106 Ω·cm(650 ℃), 介电损耗tan δ=0.026(1 MHz,650 ℃)。
压电陶瓷 电阻率 铋层状铁电体 高居里温度 piezoelectric ceramic CaBi2Ta2O9(CBT) CaBi2Ta2O9(CBT) electrical resistivity bismuth layered ferroelectric high Curie temperature
北京工业大学 光电子教育部重点实验室, 北京 100124
利用GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)的栅控特性和铁电体的光伏效应机制, 制备了一种新型(光敏感层/HEMT)光探测器件。主要研究了复合薄膜和溅射气氛对光敏感薄膜的光伏性能以及对新型感光栅极探测器的光探测能力的影响。结果表明, PZT/ZnO复合薄膜的量子效率峰值达到14.55%; 有氧氛围下制备的PZT薄膜剩余极化强度达到52.31μC/cm2; 沉积PZT/ZnO复合薄膜的探测器在紫外光照下相比于暗场下的源漏饱和电流最多增加12.64mA。可见, 所制备的新型探测器对紫外光具有优良的探测能力, 为光探测的研究提供了新的方向。
氮化镓 铁电体 光伏效应 紫外光 光探测器 GaN ferroelectric photovoltaic effect ultraviolet light photodetector
