上海硅酸鹽所在新型鐵電陶瓷研究方面取得進(jìn)展

鐵電陶瓷具有儲能密度高、放電速度快、貯存性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，在近代科學(xué)和高新技術(shù)領(lǐng)域中具有重要應(yīng)用。傳統(tǒng)鐵電材料中鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鋯鈦酸鉛（簡稱PZT）系列是應(yīng)用面最廣的鐵電材料，也是目前國際上公認(rèn)的、實(shí)現(xiàn)能量存儲和爆電換能的理想材料。但是，隨著新技術(shù)對高性能鐵電材料需求的增加和環(huán)境友好型社會的發(fā)展，探索新型無鉛鐵電材料體系變得越來越迫切。

近日，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員董顯林和王根水帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種新型、高性能、無鉛鐵電材料(Ag0.935K0.065)NbO3（AKN），該材料比目前所用的含鉛鐵電陶瓷具有更高的能量存儲密度和更好的溫度穩(wěn)定性，可用于能量存儲和爆電換能。該項(xiàng)工作提供了一種環(huán)境友好的鐵電陶瓷材料，相關(guān)研究成果發(fā)表在Science Advances上，論文第一作者為中科院上海硅酸鹽所與澳大利亞國立大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士生劉振，王根水和劉蕓為文章共同通訊作者，上海硅酸鹽所為論文第一單位。

AKN鐵電陶瓷的宏觀性能：（A）AKN壓力下的P-E曲線，（B）等靜壓下原位去極化曲線，（C和D）等靜壓下介電常數(shù)和介電損耗，（E）在6.9GPa沖擊壓力下的動態(tài)放電曲線，（F）與其他鐵電材料的儲能密度比較。

AKN鐵電陶瓷中子衍射：（A）不同狀態(tài)的AKN鐵電陶瓷，（B）不同等靜壓下極化AKN鐵電陶瓷的原位中子衍射，（C）不同等靜壓下極化AKN鐵電陶瓷中子衍射譜中1/2（321）和1/2（341）的積分面積，（D）不同等靜壓下未極化AKN鐵電陶瓷原位中子衍射。

新材料的設(shè)計(jì)采用AgNbO3（AN）作為反鐵電相，KNbO3（KN）作為鐵電相構(gòu)筑鐵電——反鐵電相界，通過改變鐵電相KN的含量實(shí)現(xiàn)AKN鐵電陶瓷性能和相變壓力的調(diào)控。與傳統(tǒng)PZT系列鐵電陶瓷相比，AKN鐵電陶瓷具有更優(yōu)異的儲能密度和溫度穩(wěn)定性，使其在能量存儲和爆電換能應(yīng)用中具有更優(yōu)異的綜合性能。通過與澳大利亞國立大學(xué)教授劉蕓團(tuán)隊(duì)和美國賓夕法尼亞州立大學(xué)教授陳龍慶團(tuán)隊(duì)合作，結(jié)合透射電鏡分析、壓力條件下原位中子衍射分析和唯象理論計(jì)算，揭示了AKN鐵電陶瓷爆電換能行為的物理機(jī)制為壓力誘導(dǎo)的氧八面體旋轉(zhuǎn)從a-a-c+型轉(zhuǎn)變?yōu)閍-a-c-/a-a-c+型，這與壓力誘導(dǎo)的、不可逆的鐵電-反鐵電相變有關(guān)。

AKN鐵電陶瓷FE和AFE相的唯象模擬：（A）AKN組成-壓力相圖，（B）能量等值線，（C）AKN鐵電陶瓷的能量分布，（D）AKN-0.08在不同等靜壓下的P-E曲線。

以上研究工作得到國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、中科院儀器研制項(xiàng)目、中科院青促會和上海市揚(yáng)帆計(jì)劃等的資助。