【成果介紹】

近日，武漢理工大學沈忠慧特聘研究員，聯合劉韓星教授、清華大學南策文院士和美國賓州州立大學Long-Qing?Chen教授等提出了耦合電致伸縮效應的電機械擊穿模型，探究了織構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/應力場分布及相應能量密度出發，系統探究了材料本征參數和微觀結構等非本征因素對電機械擊穿過程的影響。并結合機器學習等手段提出了織構工程設計的理論優化方案。相關成果以“Texture?Engineering?Modulating?Electromechanical?Breakdown?in?Multilayer?ceramic?Capacitors”為題發表在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異的抗疲勞性等顯著特點，有望廣泛應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域。然而，其相對較低的能量密度已成為制約陶瓷電容器發展的技術瓶頸之一。電介質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。當外加電場作用下，介電陶瓷產生電致極化的同時還伴隨著由于電致伸縮效應產生的電致應變，這可能在高場下容易引發脆性陶瓷的機電擊穿。陶瓷的電場致應變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，并且能夠產生超過1%的巨大電致伸縮應變。更重要的是，在多晶陶瓷電介質中，晶粒與晶界之間電學/力學性能的不匹配會進一步導致局部電場/應力場的嚴重聚集，從而引發擊穿熱點導致機電失效。因此，降低電場誘導應變有助于避免機電故障的過早發生，從而提高MLCC的擊穿強度。

近年來，為了了實現極化和擊穿場強同步提升，已經成功地開發了許多提高能量密度的有效方法，如高熵策略、疇工程和復合結構設計等。然而，大多數研究主要集中在電致極化對擊穿強度的影響上，而忽略了場致應變的影響。為此,基于鈣鈦礦結構的強電致伸縮各向異性，提出了織構工程來降低Na_0.5Bi_0.5TiO₃-Sr_0.7Bi_0.2TiO₃(NBT-SBT)陶瓷的場致應變，從而緩解MLCC的機電擊穿(Nat.?Mater.?2020,?19,?999.)。發現由于沿<111>晶體學方向的Q₃₃₃₃最小，<111>織構的NBT-SBT陶瓷在所有樣品中表現出最低的S₃₃，最終，<111>織構陶瓷的擊穿強度比無織構陶瓷的擊穿強度高約65%，并且在103 MV m^-1的擊穿場強下實現了21.5 J cm^-3的高能量密度。因此，織構工程已被證明是一種通過調節電致伸縮響應來提高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，為了進一步指導后續的實驗設計，迫切需要厘清織構陶瓷中的結構-性能關系。? ? ? ? ?

【圖文介紹】

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

圖5：織構工程中本征參數的影響。通過高通量計算研究了材料的一些本征參數如電致伸縮系數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。發現低Q_ijkl可以減小電致伸縮應變，緩解局部應力場的聚集，抑制微裂紋的產生；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：織構工程的機器學習?；诟咄坑嬎愕臄祿?，通過機器學習得到了可以半定量預測陶瓷擊穿強度的解析表達式，其決定系數R²高達0.950。進一步，利用eXtreme Gradient Boosting回歸中的權重型算法來評估每個特征變量對模型性能的影響以發現更重要的特征變量，從而有效指導實驗設計具有更高擊穿強度的織構陶瓷。發現變量G和ρ具有較高的特征重要性，因此，織構陶瓷在具有較低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鍵。

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