中國粉體網(wǎng)訊 作為一種重要的儲(chǔ)能電子元件，陶瓷電容器具有放電功率高、溫度穩(wěn)定性好和循環(huán)壽命長等優(yōu)點(diǎn)，在先進(jìn)電子和電力系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，特別是在脈沖功率技術(shù)領(lǐng)域有著不可替代的應(yīng)用。當(dāng)前，電子器件正向小型化、輕型化方向發(fā)展，這也對(duì)陶瓷電容器的儲(chǔ)能密度提出了更高的要求。
近日，西安交通大學(xué)電信學(xué)部徐卓、李飛教授課題組基于鈣鈦礦晶體電致伸縮效應(yīng)的各向異性特點(diǎn)，提出了一種新的設(shè)計(jì)思路，即通過控制晶粒取向來降低陶瓷電容器在強(qiáng)場(chǎng)下所產(chǎn)生的應(yīng)變和應(yīng)力，避免微裂紋和拉伸應(yīng)力所導(dǎo)致的陶瓷擊穿，從而提高其擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度和儲(chǔ)能密度。相關(guān)論文以題為“Grain-orientation-engineered multilayer ceramic capacitors for energy storage applications”發(fā)表在《Nature Materials》。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-020-0704-x
為了實(shí)現(xiàn)這一想法，課題組通過近兩年時(shí)間的技術(shù)攻關(guān)，首次合成了取向的鈦酸鍶模板，進(jìn)而，利用流延—模板法成功制備了織構(gòu)度達(dá)91%的高質(zhì)量取向鈦酸鍶鉍鈉(NBT-SBT)多層織構(gòu)陶瓷電容器，大幅降低了陶瓷在強(qiáng)場(chǎng)下的電致應(yīng)變，提高了擊穿電場(chǎng)(100 MV m-1)，獲得了高達(dá)21.5 J cm-3的儲(chǔ)能密度，這是目前已知陶瓷電容器的最高值。該研究所提出的材料設(shè)計(jì)思路可廣泛應(yīng)用于其他電子功能陶瓷，如基于電卡效應(yīng)的固態(tài)制冷陶瓷等，提高它們?cè)趶?qiáng)場(chǎng)條件下工作的穩(wěn)定性和可靠性。
a:Ba6Ti17O40前軀體的電子顯微鏡照片；b:取向鈦酸鍶模板的電子顯微鏡照片
a:取向鈦酸鍶鉍鈉(NBT-SBT)多層織構(gòu)陶瓷電容器照片; b:取向NBT-SBT多層織構(gòu)陶瓷橫截面的電子顯微照片；c:放大后的電子顯微照片; d:取向NBT-SBT陶瓷的晶粒取向分布圖
a:NBT-SBT多層陶瓷應(yīng)變與電場(chǎng)的關(guān)系; b:取向多層陶瓷極化強(qiáng)度與電場(chǎng)的關(guān)系；c:織構(gòu)陶瓷的儲(chǔ)能密度與其他陶瓷材料的對(duì)比
該論文的第一作者和通訊作者分別為西安交大電信學(xué)部博士后李景雷和教授李飛，共同通訊作者為哈爾濱工業(yè)大學(xué)副教授常云飛和澳大利亞伍倫貢大學(xué)教授張樹君。武漢理工大學(xué)研究員沈忠慧和西安交大航天航空學(xué)院教授李群課題組完成了該論文中的有限元仿真工作。
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/初末）
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