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上海硅酸盐所在反铁电陶瓷温致相变研究中取得重要进展
发布时间: 2022-04-11 22:29 | 【 【打印】【关闭】

  脉冲功率技术可以在极短的时间内释放兆瓦级功率的电能量,在国家安全和国民经济等领域都具有广泛的应用。脉冲电容器是脉冲功率技术的关键储能部件,它的性能表现对脉冲功率装置的轻量化和小型化至关重要。PbZrO3基反铁电陶瓷具有储能密度高、放电速度快和放电电流大等优势,是新一代高性能脉冲电容器的重要候选材料。然而,目前对该材料体系的研究主要聚焦在提高储能密度和储能效率上,反铁电陶瓷在实际服役过程中的温度稳定性研究甚少,导致高储能密度和储能效率的反铁电陶瓷往往因为温度稳定性差而无法满足实际应用要求。 

  针对这一问题,中国科学院上海硅酸盐研究所许钫钫研究员带领的材料透射电镜显微结构表征团队和王根水研究员带领的铁电陶瓷材料与器件研究团队深入合作,综合利用原位变温透射电镜技术和电学性能表征等手段对传统(Pb0.97La0.02)(Zr0.50Sn0.50)O3PLZS)反铁电陶瓷开展了温致相变储能及其结构演变的微观机制研究。研究发现,PLZS反铁电陶瓷从-177 °C350 °C的相变过程表现为反铁电相多胞顺电相简单顺电相的系列转变,并首先在反铁电温区范围内发现由多个等周期台阶组成的多晶型转变,这一现象在凝聚态物理领域被称为“魔梯(devil’s staircase)”即调制结构的调制周期随温度呈现台阶式变化。深入的结构分析表明魔梯现象起源于材料中铁电序构和反铁电序构的相互竞争。并且,将这种相互竞争作用解耦成基本结构函数s(r)和调制结构函数f(r),就可以实现魔梯各台阶中极化序构sm(r)的定量描述,即sm(r) = s(r)+f(r) [s(r) = kf(r) = Asin(2πqr+φ)]。由于魔梯各台阶中存在大量等周期的极化序构转变,具有“魔梯”结构就可以延缓性能随温度的改变,从而实现温度稳定性与储能特性的协同优化,使得PLZS陶瓷在-55~85 °C工作温度范围内储能密度在8.0~6.5 J/cm3间变化,变化率小于15%,储能效率均高于83%(工作电场310 kV/cm),展现出良好的温度稳定性,达到X5R电容器的温度稳定性要求。 

  相关研究结果以“Discovery of electric devil’s staircase in perovskite antiferroelectric”为题发表在Science AdvancesDOI10.1126/sciadv.abl9088)。论文第一作者为上海硅酸盐所在读博士生李珍勤和傅正钱副研究员,论文通讯作者为傅正钱副研究员、陈学锋研究员和许钫钫研究员,澳大利亚卧龙岗大学的张树君教授参与了该项工作,华东师范大学的段纯刚教授给予了有益的讨论和建议。 

  该项工作得到了国家自然科学基金、上海市科技创新行动计划和上海无机材料测试与表征技术平台等项目的资助和支持。 

  文章链接: 

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

PLZS反铁电陶瓷的温致相变过程

调制结构的台阶式转变行为

魔梯对储能性能的积极作用

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