西安交大研究團(tuán)隊(duì)在提升鈦酸鉍鈉基多層陶瓷電容器的高溫儲(chǔ)能性能方面取得新進(jìn)展

2025-10-21 11:25:48西安交通大學(xué)閱讀量：17565      我要評(píng)論

　　介電陶瓷電容器憑借其高功率密度與快速充放電特性，在電磁軌道炮、激光武器等脈沖功率系統(tǒng)中展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。然而，隨著電子設(shè)備不斷向小型化、集成化方向推進(jìn)，其較低的能量密度成為制約該類器件進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。近年來，科研人員通過高熵組分設(shè)計(jì)、多態(tài)弛豫相構(gòu)筑以及制備工藝優(yōu)化等策略，在提升介電陶瓷電容器室溫儲(chǔ)能性能方面取得了顯著進(jìn)展。盡管如此，在航空航天、石油鉆井等極端高溫應(yīng)用環(huán)境下，儲(chǔ)能器件需在嚴(yán)苛條件下穩(wěn)定工作，因此開發(fā)具有優(yōu)異高溫儲(chǔ)能性能的介電陶瓷材料成為當(dāng)前亟待突破的重要方向。

　　近期，西安交通大學(xué)前沿院婁曉杰教授團(tuán)隊(duì)與合作者在鈦酸鉍鈉基弛豫鐵電陶瓷的A/B位引入異價(jià)異尺寸陽(yáng)離子，有效提高了材料的構(gòu)型熵，進(jìn)而增強(qiáng)了局域晶格應(yīng)變的不均勻性。該策略顯著抑制了載流子的遷移，從而改善了陶瓷在高溫下的絕緣性能與儲(chǔ)能性能。研究表明，隨著構(gòu)型熵的增加，極化矢量明顯減小，并形成了局域多態(tài)共存的結(jié)構(gòu)特征，這一變化有效延遲了極化飽和。此外，晶粒尺寸的細(xì)化、帶隙的增大以及高溫漏導(dǎo)電流的顯著降低，共同促進(jìn)了陶瓷擊穿場(chǎng)強(qiáng)的提升。最終，經(jīng)過優(yōu)化后的弛豫鐵電陶瓷在200 ℃實(shí)現(xiàn)了高達(dá)8 J/cm3的儲(chǔ)能密度?；谠撎沾山M分制備的多層陶瓷電容器，在-75~200 ℃的寬溫域內(nèi)，儲(chǔ)能密度始終保持在11 J/cm3以上，并呈現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，為極端環(huán)境下運(yùn)行的脈沖功率設(shè)備提供了可靠的材料解決方案。本研究為設(shè)計(jì)高性能高溫介電儲(chǔ)能陶瓷電容器提供了新的思路。

　　以上研究成果以《熵調(diào)控非均勻應(yīng)變?cè)诔谠ヨF電多層陶瓷電容器中實(shí)現(xiàn)優(yōu)異高溫儲(chǔ)能性能》(Ultra-high energy storage in relaxor ferroelectric MLCCs at elevated temperatures via entropy modulated strain heterogeneity)為題發(fā)表于《自然通訊》(Nature Communications)。該論文第一單位是西安交通大學(xué)前沿院/學(xué)科交叉中心和金屬材料強(qiáng)度全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安交通大學(xué)前沿院助理教授康瑞瑞博士、西安交通大學(xué)電子與信息學(xué)部電子學(xué)院李洋博士和中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所助理研究員胡騰飛博士為共同第一作者，西安交通大學(xué)前沿院婁曉杰教授、西安交通大學(xué)電子與信息學(xué)部電子學(xué)院李飛教授和澳大利亞伍倫貢大學(xué)/香港城市大學(xué)張樹君教授為通訊作者。該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)、博士后面上項(xiàng)目以及西安交通大學(xué)分析測(cè)試中心的支持。

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