【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(jī)械擊穿模型，探究了織構(gòu)工程對(duì)儲(chǔ)能陶瓷耐壓強(qiáng)度的影響。本工作以NBT-SBT多層陶瓷為例，從局部電場(chǎng)/應(yīng)力場(chǎng)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(duì)電機(jī)械擊穿過程的影響。并結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)等手段提出了織構(gòu)工程設(shè)計(jì)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(diǎn)，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(dòng)力電動(dòng)汽車等領(lǐng)域。然而，其相對(duì)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(chǎng)強(qiáng)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(shí)提高極化強(qiáng)度和擊穿強(qiáng)度的一個(gè)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(chǎng)作用下，介電陶瓷產(chǎn)生電致極化的同時(shí)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(chǎng)下容易引發(fā)脆性陶瓷的機(jī)電擊穿。陶瓷的電場(chǎng)致應(yīng)變S_ij可由S_ij?=?Q_ijklP_kP_l計(jì)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(dá)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(chǎng)在50–80 MV m^-1的情況下，電致極化高達(dá)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(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致局部電場(chǎng)/應(yīng)力場(chǎng)的嚴(yán)重聚集，從而引發(fā)擊穿熱點(diǎn)導(dǎo)致機(jī)電失效。因此，降低電場(chǎng)誘導(dǎo)應(yīng)變有助于避免機(jī)電故障的過早發(fā)生，從而提高M(jìn)LCC的擊穿強(qiáng)度。

近年來，為了了實(shí)現(xiàn)極化和擊穿場(chǎng)強(qiáng)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(jì)等。然而，大多數(shù)研究主要集中在電致極化對(duì)擊穿強(qiáng)度的影響上，而忽略了場(chǎng)致應(yīng)變的影響。為此,基于鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的強(qiáng)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(chǎng)致應(yīng)變，從而緩解MLCC的機(jī)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(qiáng)度比無織構(gòu)陶瓷的擊穿強(qiáng)度高約65%，并且在103 MV m^-1的擊穿場(chǎng)強(qiáng)下實(shí)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(qiáng)度和儲(chǔ)能密度的可行且實(shí)用的策略。然而，對(duì)于織構(gòu)工程如何影響陶瓷的電機(jī)械擊穿過程和儲(chǔ)能性能仍缺乏深入的了解，為了進(jìn)一步指導(dǎo)后續(xù)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，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(duì)局域能量密度的影響。與圖2中的場(chǎng)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(chǎng)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(jī)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(jì)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(qiáng)度以及本征斷裂強(qiáng)度對(duì)電機(jī)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(chǎng)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(chǎng)；高可以抵抗較大的局域場(chǎng)致應(yīng)變，大大降低陶瓷的機(jī)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(jī)械擊穿行為從而提高擊穿場(chǎng)強(qiáng)。

圖7：織構(gòu)工程的機(jī)器學(xué)習(xí)。基于高通量計(jì)算的數(shù)據(jù)，通過機(jī)器學(xué)習(xí)得到了可以半定量預(yù)測(cè)陶瓷擊穿強(qiáng)度的解析表達(dá)式，其決定系數(shù)R²高達(dá)0.950。進(jìn)一步，利用eXtreme Gradient Boosting回歸中的權(quán)重型算法來評(píng)估每個(gè)特征變量對(duì)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)具有更高擊穿強(qiáng)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(jìn)一步降低G和ρ對(duì)于提高擊穿場(chǎng)強(qiáng)更為關(guān)鍵。

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