中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
6月15日，英國《自然材料》期刊在線(xiàn)發(fā)表了西安交大研究團隊的最新學(xué)術(shù)成果Grain-orientation-engineered multilayer ceramic capacitors for energy storage applications（用于能量存儲的織構多層陶瓷電容器）。
作為一種重要的儲能電子元件，陶瓷電容器具有放電功率高、溫度穩定性好和循環(huán)壽命長(cháng)等優(yōu)點(diǎn)，在先進(jìn)電子和電力系統中起著(zhù)至關(guān)重要的作用，特別是在脈沖功率技術(shù)領(lǐng)域有著(zhù)不可替代的應用。當前，電子器件正向小型化、輕型化方向發(fā)展，這也對陶瓷電容器的儲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的各向異性特點(diǎn)，提出了一種新的設計思路，即通過(guò)控制晶粒取向來(lái)降低陶瓷電容器在強場(chǎng)下所產(chǎn)生的應變和應力，避免微裂紋和拉伸應力所導致的陶瓷擊穿，從而提高其擊穿電場(chǎng)強度和儲能密度。為了實(shí)現這一想法，課題組通過(guò)近兩年時(shí)間的技術(shù)攻關(guān)，首次合成了<111>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度達91%的高質(zhì)量<111>取向鈦酸鍶鉍鈉(NBT-SBT)多層織構陶瓷電容器，大幅降低了陶瓷在強場(chǎng)下的電致應變，提高了擊穿電場(chǎng)(100 MV m-1)，獲得了高達21.5 J cm-3的儲能密度，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計思路可廣泛應用于其他電子功能陶瓷，如基于電卡效應的固態(tài)制冷陶瓷等，提高它們在強場(chǎng)條件下工作的穩定性和可靠性。
a:Ba6Ti17O40前軀體的電子顯微鏡照片；b:<111>取向鈦酸鍶模板的電子顯微鏡照片
a:<111>取向鈦酸鍶鉍鈉(NBT-SBT)多層織構陶瓷電容器照片;b:<111>取向NBT-SBT多層織構陶瓷橫截面的電子顯微照片
c:放大后的電子顯微照片;d:<111>取向NBT-SBT陶瓷的晶粒取向分布圖
a:NBT-SBT多層陶瓷應變與電場(chǎng)的關(guān)系;b:<111>取向多層陶瓷極化強度與電場(chǎng)的關(guān)系
c:<111>織構陶瓷的儲能密度與其他陶瓷材料的對比
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(shù)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。
該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委、西安交通大學(xué)青年拔尖人才計劃、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費等項目的支持。同時(shí)，該項研究中掃描電鏡表征分析工作得到了西安交通大學(xué)分析測試中心工程師任子君和賈春林科學(xué)家工作室工程師代艷竹的支持。
