鐵電材料具有豐富的外場誘導(dǎo)相變行為和復(fù)雜的耦合效應(yīng)，在能量存儲及轉(zhuǎn)換領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。目前工程上應(yīng)用的主要材料是Pb(Zr,Ti)O3（PZT）體系，探索和研發(fā)新的材料體系，特別是無鉛材料體系，是當(dāng)前鐵電材料領(lǐng)域研究熱點和發(fā)展趨勢。(Bi0.5Na0.5)TiO3（BNT）基鐵電陶瓷因具有優(yōu)異的鐵電性能、弛豫特性以及微區(qū)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點備受關(guān)注，被認為是有望取代PZT基鐵電陶瓷的重要體系之一。但是純BNT鐵電陶瓷矯頑場大、電阻率低和退極化溫度（Td）低等缺點限制了其應(yīng)用。如何通過組成和微結(jié)構(gòu)設(shè)計增強BNT陶瓷的綜合性能以及揭示相關(guān)物理機制是該領(lǐng)域的一個重要課題。

　　最近，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所信息功能材料與器件研究中心研究員董顯林和王根水帶領(lǐng)的研究團隊以BNT陶瓷為基體，通過組成和結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)了BNT鐵電陶瓷體系抗沖擊應(yīng)力和電荷密度以及儲能密度和儲能效率等性能的顯著提升，并揭示了性能增強的物理機制。該團隊以BNT-BA材料體系為基體，固溶NaNbO3有效地調(diào)控陶瓷的相結(jié)構(gòu)和顯微結(jié)構(gòu)，獲得兼具高剩余極化強度Pr（41μC/cm2）、低介電損耗、高電阻率和高Td（175oC）的陶瓷組分。通過等靜壓以及沖擊波加載實驗系統(tǒng)研究了BNT基鐵電陶瓷在沖擊波下的放電行為和物理機制，在8.2GPa沖擊壓力下釋放的電荷密度高達38 mC/cm2，比PZT95/5鐵電陶瓷提高~20%，抗沖擊應(yīng)力和電荷密度均為目前報道的最大值。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Applied Physics Letters, 113, 082901 (2018)、Journal of the American Ceramic Society, 101, 4044-4052 (2018)、Journal of Applied Physics, 123, 036301 (2018)及Journal of the American Ceramic Society,102, 2569-2577 (2019)上。論文第一作者為博士研究生彭萍，通訊作者為董顯林和副研究員聶恒昌。

　　該團隊還通過弛豫調(diào)控策略設(shè)計了一種新型BNT基介電儲能陶瓷材料，儲能密度和儲能效率分別提高至3.08 J/cm3和81.4%。其設(shè)計思路是在BNT基體中引入Sr0.85Bi0.10.1TiO3（代表A位空位）及NaNbO3，通過引入A位空位及離子取代產(chǎn)生的應(yīng)力失配和電荷不平衡形成局域隨機場，打破BNT基體中偶極子的長程有序結(jié)構(gòu)，形成弱耦合極性納米微區(qū)，有利于獲得較高的儲能密度（Wrec）及儲能效率（h）。同時發(fā)現(xiàn)在RT~100℃及1Hz~100Hz測試條件下，其儲能特性還具有優(yōu)異的穩(wěn)定性，該材料有望成為介質(zhì)儲能電容器的候選材料。相關(guān)工作發(fā)表在Journal of Materials Chemistry C, 7, 6222-6230 (2019)和Rsc Advances, 9, 21355-21362 (2019)上。論文第一作者為碩士研究生吳宜宸，通訊作者為王根水。

　　該團隊與應(yīng)用單位合作，利用沖擊波加載實驗在BNT基鐵電陶瓷中獲得了目前報道最高的功率輸出密度，并揭示了其在高壓下的相變機制。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Physic Review Materials 3, 035401 (2019)上。該論文第一作者為中國工程物理研究院流體物理研究所副研究員高志鵬，通訊作者為王根水。

　　以上研究結(jié)果表明BNT基鐵電陶瓷在鐵電體高功率脈沖技術(shù)和介質(zhì)儲能電容器等方面具有潛在的應(yīng)用前景。相關(guān)研究得到國家自然科學(xué)基金、上海市自然科學(xué)基金、中科院青年創(chuàng)新促進會、中國工程物理研究院院長基金的支持。

沖擊波加載下BNT基鐵電陶瓷放電特性及響應(yīng)行為

通過弛豫策略調(diào)控的BNT基陶瓷及其弛豫特性和儲能特性表征