【成果介紹】

近日，武漢理工大學(xué)沈忠慧特聘研究員，聯(lián)合劉韓星教授、清華大學(xué)南策文院士和美國賓州州立大學(xué)Long-Qing?Chen教授等提出了耦合電致伸縮效應(yīng)的電機械擊穿模型，探究了織構(gòu)工程對儲能陶瓷耐壓強度的影響。本工作以NBT-SBT多層陶瓷為例，從局部電場/應(yīng)力場分布及相應(yīng)能量密度出發(fā)，系統(tǒng)探究了材料本征參數(shù)和微觀結(jié)構(gòu)等非本征因素對電機械擊穿過程的影響。并結(jié)合機器學(xué)習(xí)等手段提出了織構(gòu)工程設(shè)計的理論優(yōu)化方案。相關(guān)成果以“Texture?Engineering?Modulating?Electromechanical?Breakdown?in?Multilayer?ceramic?Capacitors”為題發(fā)表在Advanced Science期刊上。

【研究背景】

近年來，由于陶瓷電容器具有超高功率密度和優(yōu)異的抗疲勞性等顯著特點，有望廣泛應(yīng)用于從高功率微波到電磁脈沖武器和混合動力電動汽車等領(lǐng)域。然而，其相對較低的能量密度已成為制約陶瓷電容器發(fā)展的技術(shù)瓶頸之一。電介質(zhì)電容器的能量密度主要由電致極化和擊穿場強決定，如圖1(a)中的P-E曲線所示。然而，它們之間的倒置耦合關(guān)系一直是提高能量密度的主要障礙。不能同時提高極化強度和擊穿強度的一個容易被忽視但很重要的原因是介電陶瓷中電-力耦合效應(yīng)。當(dāng)外加電場作用下，介電陶瓷產(chǎn)生電致極化的同時還伴隨著由于電致伸縮效應(yīng)產(chǎn)生的電致應(yīng)變，這可能在高場下容易引發(fā)脆性陶瓷的機電擊穿。陶瓷的電場致應(yīng)變S_ij可由S_ij?=?Q_ijklP_kP_l計算，其中Q_ijkl和P_k/P_l分別表示電致伸縮系數(shù)和極化。例如，如果將Q₃₃₃₃高達0.05 m⁴?C^-2的介電陶瓷組裝成多層陶瓷電容器(MLCC)，當(dāng)施加電場在50–80 MV m^-1的情況下，電致極化高達0.5 C m^-2，并且能夠產(chǎn)生超過1%的巨大電致伸縮應(yīng)變。更重要的是，在多晶陶瓷電介質(zhì)中，晶粒與晶界之間電學(xué)/力學(xué)性能的不匹配會進一步導(dǎo)致局部電場/應(yīng)力場的嚴重聚集，從而引發(fā)擊穿熱點導(dǎo)致機電失效。因此，降低電場誘導(dǎo)應(yīng)變有助于避免機電故障的過早發(fā)生，從而提高MLCC的擊穿強度。

近年來，為了了實現(xiàn)極化和擊穿場強同步提升，已經(jīng)成功地開發(fā)了許多提高能量密度的有效方法，如高熵策略、疇工程和復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計等。然而，大多數(shù)研究主要集中在電致極化對擊穿強度的影響上，而忽略了場致應(yīng)變的影響。為此,基于鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的強電致伸縮各向異性，提出了織構(gòu)工程來降低Na_0.5Bi_0.5TiO₃-Sr_0.7Bi_0.2TiO₃(NBT-SBT)陶瓷的場致應(yīng)變，從而緩解MLCC的機電擊穿(Nat.?Mater.?2020,?19,?999.)。發(fā)現(xiàn)由于沿<111>晶體學(xué)方向的Q₃₃₃₃最小，<111>織構(gòu)的NBT-SBT陶瓷在所有樣品中表現(xiàn)出最低的S₃₃，最終，<111>織構(gòu)陶瓷的擊穿強度比無織構(gòu)陶瓷的擊穿強度高約65%，并且在103 MV m^-1的擊穿場強下實現(xiàn)了21.5 J cm^-3的高能量密度。因此，織構(gòu)工程已被證明是一種通過調(diào)節(jié)電致伸縮響應(yīng)來提高MLCC陶瓷的擊穿強度和儲能密度的可行且實用的策略。然而，對于織構(gòu)工程如何影響陶瓷的電機械擊穿過程和儲能性能仍缺乏深入的了解，為了進一步指導(dǎo)后續(xù)的實驗設(shè)計，迫切需要厘清織構(gòu)陶瓷中的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系。? ? ? ? ?

【圖文介紹】

圖3：織構(gòu)構(gòu)型對局域能量密度的影響。與圖2中的場分布類似，不同構(gòu)型的靜電能分布大致相同。例如，在20 MV m^-1的電場下，<100>織構(gòu)陶瓷樣品的平均靜電能密度為~1.49×10⁶?J m^-3，與<111>織構(gòu)陶瓷樣品的~1.45×10⁶?J m^-3相近。而不同構(gòu)型下的應(yīng)變能密度完全不同，隨著織構(gòu)構(gòu)型從<100>變化到<111>，應(yīng)變能密度分布變得更均勻，平均應(yīng)變能密度從1.61×10⁴?J m^-3急劇下降到690 J m^?3。因此，調(diào)控織構(gòu)構(gòu)型可以使應(yīng)變能分布更低、更均勻，更有利于延緩和抑制機電擊穿的過早發(fā)生。

圖5：織構(gòu)工程中本征參數(shù)的影響。通過高通量計算研究了材料的一些本征參數(shù)如電致伸縮系數(shù)Q_ijkl，本征擊穿強度以及本征斷裂強度對電機械擊穿過程的影響。發(fā)現(xiàn)低Q_ijkl可以減小電致伸縮應(yīng)變，緩解局部應(yīng)力場的聚集，抑制微裂紋的產(chǎn)生；高可以使陶瓷能承受更高的外加電場；高可以抵抗較大的局域場致應(yīng)變，大大降低陶瓷的機電擊穿概率。因此，通過控制這些本征因素可以改變介電陶瓷的電機械擊穿行為從而提高擊穿場強。

圖7：織構(gòu)工程的機器學(xué)習(xí)。基于高通量計算的數(shù)據(jù)，通過機器學(xué)習(xí)得到了可以半定量預(yù)測陶瓷擊穿強度的解析表達式，其決定系數(shù)R²高達0.950。進一步，利用eXtreme Gradient Boosting回歸中的權(quán)重型算法來評估每個特征變量對模型性能的影響以發(fā)現(xiàn)更重要的特征變量，從而有效指導(dǎo)實驗設(shè)計具有更高擊穿強度的織構(gòu)陶瓷。發(fā)現(xiàn)變量G和ρ具有較高的特征重要性，因此，織構(gòu)陶瓷在具有較低Q_ijkl以及較高V_f的前提下，進一步降低G和ρ對于提高擊穿場強更為關(guān)鍵。

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