为进一步拓展先进陶瓷材料在直升机结构领域的应用, 本文对国内外直升机结构用先进陶瓷材料进行了审视和回顾, 重点关注直升机能量冲击防护部位、能量转换部件及腐蚀防护区域等特定结构部位用各类先进陶瓷材料, 对比分析国内外先进陶瓷材料在直升机上述特定结构部位的应用差距, 并提出未来发展建议。高速动态冲击能量防护部位应发展反应烧结曲面一体化成型的非透明装甲陶瓷材料和多晶透明装甲陶瓷材料, 低能量冲击防护部位应发展与环氧树脂基基材兼容的金属陶瓷复合涂层, 热能冲击防护部位应发展陶瓷基/树脂基混杂复合材料(Hybrid Ceramic Matrix Composite/Polymer Matrix Composite, HCMC-PMC), 机械能与电能转换部件应发展以高性能微型压电陶瓷薄膜功能器件及柔性混合电子结构复合材料为代表的多功能复合材料, 电磁能与热能转换部件应发展与环氧树脂基复合材料兼容的纤维增强吸波陶瓷基复合材料, 腐蚀防护区域应发展高性能耐磨腐蚀防护用溶胶-凝胶涂层。同时, 应大力构建直升机装备高速动态能量冲击防护机理及防护材料抗弹击性能优化机制, 并发展垂直起降飞行器多功能复合材料数字试验验证技术, 以显著缩短先进陶瓷材料的研发及装机应用周期并降低验证成本。

随着我国新型空天飞行器的快速发展, 对热端部件的结构可靠性和宽频微波隐身提出了更高的性能要求。SiBCN系亚稳陶瓷具有良好的耐高温、抗热震、耐烧蚀、抗长时氧化、抗蠕变等特性, 在高温吸波结构领域极具应用潜力, 但是该系亚稳陶瓷较低的介电损耗限制了其电磁波吸收能力。本研究基于湿法纺丝技术制备了具有良好力学和吸波性能的SiBCN-rGO陶瓷纤维。结果表明, 制备的SiBCN-rGO陶瓷纤维具有多孔结构, 且纤维的孔隙率随着氧化还原石墨烯(Reduced Graphene Oxide, rGO)含量的增加而增大; 此外, 高含量rGO和高纤维比表面积促进了非晶基体中SiC的结晶析出。引入rGO显著提高了陶瓷纤维的拉伸性能, 随着rGO质量分数从0提高至4%, 纤维的断裂伸长率从8.05%增加到18.05%, 拉伸强度从1.62 cN/dtex(0.324 GPa)提高到2.32 cN/dtex(0.464 GPa)。rGO含量增加降低了纤维的电阻率, 且纤维的复介电常数实部与虚部均下降, 但损耗角正切值逐渐提高。SiBCN-rGO陶瓷纤维表现出良好的吸波性能, 其中含质量分数6% rGO的陶瓷纤维在9.20 GHz处具有最小反射系数−50.90 dB, 有效吸收带宽达2.3 GHz, 在吸波陶瓷基复合材料方面具有应用前景。

铌酸钾钠(K_0.5Na_0.5NbO₃, KNN)基压电陶瓷由于具有优异的压电系数(Piezoelectric Coefficient, d₃₃)和高居里温度(Curie Temperature, T_C), 被认为是最有潜力取代铅基压电陶瓷的无铅压电陶瓷体系。然而, 相比铅基压电陶瓷体系, KNN基陶瓷体系的d₃₃温度稳定性较差, 影响了其实际应用。针对该问题, 本研究采用常规固相烧结法和织构工程设计制备了具有单一四方相(T相)的(K_0.5Na_0.5)_0.96Li_0.04(Nb_0.95Sb_0.05)O₃-(Bi_0.5Na_0.5)ZrO₃(KNLNS-BNZ)织构压电陶瓷。研究发现: 相比非织构陶瓷, KNLNS-BNZ织构陶瓷不仅具有更优异的压电系数(d₃₃=256 pC∙N^-1)和纵向机电耦合系数(Longitudinal Electromechanical Coupling Coefficient, k₃₃=34%), 而且具有更优良的d₃₃和k₃₃温度稳定性。在温度范围25~250 ℃之间, KNLNS-BNZ织构陶瓷d₃₃和k₃₃的变化率分别为12%和4%。此外, 本工作制备并研究了由KNLNS-BNZ织构陶瓷和环氧树脂组成的1-3型换能器。该1-3型换能器不仅具有大带宽(BW=61.2%)和优良的信号强度(f_c=1 MHz), 而且具有良好的温度稳定性。当测量温度升高到100 ℃时, 其带宽BW和中心频率f_c分别为58.7%和0.94 MHz, 与室温下的测量结果相比其变化率分别为4%和6%。以上结果表明, KNLNS-BNZ无铅压电陶瓷具有良好的压电性能和优异的温度稳定性, 并且基于此制备的1-3型换能器可为新型无铅压电陶瓷的实际应用提供参考。

超低介电常数锂基硅酸盐微波介质陶瓷材料作为介质基板在第五代无线通信技术中显示出极大的潜力。然而, 较高的烧结温度带来的残余应力会导致材料的介电损耗增加, 微波介电性能变差。本工作通过在LiAlSi₂O₆陶瓷中引入B³⁺来减少Al³⁺含量, 从而改善LiAlSi₂O₆陶瓷的烧结温度和微波介电性能。采用固相反应法与冷等静压技术相结合的方式制备了LiB_xAl_1-xSi₂O₆(0≤x≤0.20)微波介质陶瓷, 并研究了B³⁺掺杂对该材料的烧结特性、相结构、微观形貌以及微波介电性能的影响。研究结果表明, 随着掺杂量的增加, 陶瓷的烧结温度由1400 ℃大幅降低至1000 ℃。同时, 相对介电常数(ε_r)从3.95降低至3.69, 品质因数(Q×f)从24300 GHz显著提升至30560 GHz, 谐振频率温度系数(τ_f)从-45.9×10^-6 ℃^-1升高至-20.9×10^-6 ℃^-1。具体而言, ε_r的变化主要受材料本征极化率、晶格振动以及共价键强度的共同影响; Q×f提升则与填充分数(PF)增加和阻尼系数减小密切相关; τ_f增大与氧的键价(V_O)存在较强的关联性。此外, x = 0.20组分展现出最佳的微波介电性能, 具体表现为ε_r = 3.69, Q×f = 30560 GHz, τ_f = -20.9×10^-6 ℃^-1。本研究制备的LiB_xAl_1-xSi₂O₆为未来高性能微波介质陶瓷材料的开发与应用提供了重要的理论依据和实践指导。

在PbZr_yTi_1-yO₃(PZT)基压电陶瓷的Ti⁴⁺位点掺杂受主离子是一种众所周知的增加机械品质因数(Q_m)的方法, 受主离子与氧空位结合形成缺陷偶极子, 阻碍畴在外电场下的转动。但通常而言, 氧空位随温度升高而迁移, 缺陷偶极子因此而解耦, Q_m降低。本研究发现掺杂0.40%(摩尔百分数)Fe₂O₃的Pb_0.95Sr_0.05(Zr_0.53Ti_0.47)O₃ (PSZT)陶瓷的Q_m随着温度升高而异常增大(在室温下陶瓷的Q_m、压电系数(d₃₃)和居里温度(T_C)分别为507、292 pC/N和345 ℃), 最大Q_m在120~160 ℃可达824, 比在室温下高62.52%, 而动态压电常数(d₃₁)仅降低了3.85%。X射线衍射(XRD)和压电力显微镜结果表明, 随着温度升高, 陶瓷内部晶面间距增加, 电畴细化。热激励去极化电流结果表明, 缺陷偶极子在240 ℃以下保持稳定, 细畴附近的氧空位逐渐聚集, 并与温度稳定性良好的缺陷偶极子结合, 增加了对畴的钉扎作用, 导致Q_m增加。本研究为压电陶瓷高温下高Q_m的应用提供了一种可能性。

随着通信技术升级以及5G通信应用的驱动, 各种智能设备所需的滤波器数量激增, 促进了滤波器市场的繁荣, 但对其性能要求也越来越高, 例如大带宽、高频率、高功率容量、微型化、集成化以及低成本等指标是学术界与产业界重点关注的方向, 而基于薄膜体声波谐振器(Thin Film Bulk Acoustic Resonator, FBAR)技术的FBAR滤波器已成为最有前景的滤波器之一。另外, 当前空腔型FBAR滤波器已取得了一定的商业成功, 但是仍面临性能不足、工艺复杂、成本略高、技术受限等困境。为此, 本文试图从器件理论研究与结构优化、高性能压电材料制备与优化、新型工艺开发及技术融合三方面对FBAR滤波器的相关问题与关键技术进行综述, 旨在为该研究领域的学者梳理FBAR滤波器技术进阶与迭代的脉络, 以期为未来研究的路径与方向提供若干启发性思考。

追求具有高介电强度的陶瓷介质材料, 探究影响介电强度的内在因素, 对选择合适的高功率微波传输器件介质窗材料、保证功率传输的可靠性具有重大的科学研究和工程应用价值。氧化镁(MgO)陶瓷具有高理论介电强度和低介电损耗的介电性能, 在高功率微波传输器件应用方面潜力巨大, 但其烧结温度过高, 阻碍了设计与应用。本工作通过传统固相反应法制备了MgO-1%ZrO₂-1%CaCO₃-x%MnCO₃(MZCM_x, x = 0、0.25、0.50、1.00、1.50, 摩尔比)系列陶瓷, 并对其相结构、形貌特征和介电性能等进行表征分析。研究发现: 引入ZrO₂和CaCO₃形成了第二相, 显著抑制了MgO晶粒的过分长大; 添加MnCO₃促进了陶瓷烧结初期的晶界扩散过程, 降低了陶瓷的晶粒生长激活能, 从而有效降低了陶瓷烧结温度。最终在1350 ℃下烧结制备的MZCM_1.00陶瓷获得了高介电强度和品质因数(E_b = 92.3 kV/mm, Q × f = 216642 GHz), 同时具有低介电损耗(<0.03%)、低电容温度系数(20.3×10^-6 ℃^-1, 85 ℃)和相对接近于零的谐振频率温度系数(-12.54×10^-6 ℃^-1)。本研究为高功率微波传输器件选择介质窗材料以及提升综合性能提供了一种简单有效且可满足实际生产应用的解决方案。

铋层状铌酸铋钙(CaBi₂Nb₂O₉, CBN)铁电薄膜具有良好的铁电性能和疲劳特性, 是铁电随机存储器的重要候选材料之一。铋层状结构薄膜a轴外延生长对其高质量集成和应用具有重要意义, 然而CBN结构的各向异性使其根据晶体学调节自发极化更具挑战性。本研究采用脉冲激光沉积技术, 在MgO(100)衬底上通过改变沉积温度的方式, 实现了CBN薄膜的取向生长。在500、600和700 ℃沉积温度下分别生长出(115)、(200)和(00l)取向的CBN薄膜, 并且随着沉积温度升高, CBN薄膜发生了(115)-(200)-(00l)取向的转变。扫描电子显微镜(SEM)结果表明, 600 ℃是CBN薄膜在MgO衬底上高质量a轴外延生长的最优沉积温度, 薄膜与衬底键合良好, 粗糙度较低。高分辨X射线衍射(HRXRD)和高分辨透射电子显微镜(HRTEM)分析表明, (200)取向的CBN薄膜为异质外延生长, 其与MgO衬底之间形成半共格界面, CBN/MgO异质结构外延关系为(100)[001]CBN//(100)[001]MgO。CBN界面处的(200)平均间距为0.5312 nm, 结合晶格匹配关系, 提出了一种可能的外延匹配方式: 4个CBN晶胞共同占用5个MgO晶格。此外, 通过压电力显微镜(PFM)发现了(115)取向CBN薄膜具有纳米畴结构, 以及(200)取向CBN薄膜表现出良好的面外极化翻转。

压电叠层驱动器具有低驱动电压、大位移的特点, 被广泛应用于诸多领域。作为目前压电叠层驱动器中最常使用的材料, 软性锆钛酸铅(PZT)陶瓷较大的介电常数和损耗往往会导致较高的功耗和发热量, 进而影响驱动器的疲劳特性和稳定性。为了制备出低发热量、适用于压电叠层驱动器的压电陶瓷, 本工作选取Mn掺杂(摩尔分数)的Pb(Sb_1/2Nb_1/2)_0.02Zr_0.51Ti_0.47O₃-0.6%MnCO₃(PSN-PZT)硬性压电陶瓷作为基体材料, 通过掺入一定含量的Li₂CO₃烧结助剂来降低陶瓷的烧结温度, 并采用高于居里温度极化工艺进一步提升陶瓷的电学性能。最后采用该材料, 利用流延工艺制备出压电叠层驱动器, 并与相同工艺制备的Pb(Mg_1/3Nb_2/3)_0.25(Ti_0.48Zr_0.52)_0.75O₃(PMN-PZT)驱动器进行比较。 结果显示,Li₂CO₃通过引入液相烧结的方式将PSN-PZT陶瓷烧结温度降低至1050 ℃。当Li₂CO₃含量为0.1%(质量分数)时, 高于居里温度极化的PSN-PZT陶瓷电学性能最优, 其压电系数(d₃₃)和2 kV/mm电场下的单极应变分别为388 pC/N和0.13%。在200 Hz下, PSN-PZT驱动器温升比PMN-PZT驱动器低大约20 ℃, 且经过5×10⁶次循环后应变仅降低6%。这表明Li₂CO₃低温烧结的PSN-PZT陶瓷不仅具备不错的压电性能, 而且在发热和疲劳特性方面有较大优势, 在大功率、高频等苛刻工况中有潜在的应用前景。

(Ba,Ca)(Ti,Sn)O₃ (BCTS)压电陶瓷具有优异的压电性能, 在压电传感器、换能器领域表现出巨大的应用潜力。其烧结温度非常高(通常在1450 ℃以上), 导致其在实际应用中受到限制。为了降低烧结温度, 本研究以(Ba_0.95Ca_0.05)(Ti_0.90Sn_0.10)O₃为基体, 选择CuO作为烧结助剂, 通过传统固相烧结法制备BCTS-xCuO压电陶瓷, 系统研究CuO含量对BCTS陶瓷的烧结温度、结构及介电、压电性能的影响规律。研究发现, 加入CuO后, 陶瓷主相为钙钛矿结构, 存在少量杂相, 可能是Ba₂TiO₄和Ba₂Cu₃O_5.9。CuO掺杂能有效将陶瓷的烧结温度从1480 ℃降低至1360 ℃, 提高压电陶瓷的相对致密度, 增大陶瓷的平均晶粒尺寸。当x=0.03时, 陶瓷获得最高相对致密度(98.7%)和最大平均晶粒尺寸(22.5 μm), 同时获得最优异的电学性能: 压电系数d₃₃=573 pC/N, 机电耦合系数k_p=36%, 相对介电常数ε_r=9467, 介电损耗tanδ=0.021。与其他低温烧结的BaTiO₃基陶瓷相比, x=0.03陶瓷组分在低烧结温度下具有更高的d₃₃, 表现出优异的综合性能。本研究结果表明, CuO掺杂可有效降低BCTS陶瓷的烧结温度, 提高压电性能, 为其在压电器件领域的应用提供指导。

柔性压电材料作为一类重要的功能材料, 具有韧性好、可塑性强、轻量化等优点, 可以实现机械能和电能的相互转换, 并贴附在人体上实时获取人体或环境信息, 在运动检测、健康监测、人机交互等领域具有广阔的应用前景。为满足人们对柔性压电材料结构不断提高的要求, 增材制造技术被广泛用于制造压电材料。该技术有望突破传统压电材料加工和生产的技术瓶颈, 极大提升柔性压电产品的结构自由度和性能, 从而推动柔性压电材料应用的变革。本文在介绍压电材料分类和性能的基础上, 系统阐述了增材制造柔性压电材料的主要工艺种类, 包括熔融沉积、墨水直写、选择性激光烧结、电辅助直写、光固化和墨水喷射等; 总结了增材制造柔性压电材料的结构, 主要有多层结构、多孔结构和叉指结构; 介绍了增材制造柔性压电材料在能量收集、压电传感器、人机交互和生物工程中的应用进展; 最后总结和展望了增材制造柔性压电材料面临的挑战以及未来发展趋势。

可穿戴设备是能穿在身上, 实时获取人体或环境信息并进行传递和处理的功能设备, 在医疗健康、人工智能、运动娱乐等领域具有广阔的应用前景。随着可穿戴设备的发展, 各类柔性传感器应运而生。基于压电效应的柔性力学传感器因具有感应频率宽、响应快、线性好、自供电等优势而备受关注。然而传统的压电材料多为脆性陶瓷和晶体材料, 限制了其在柔性方面的应用。随着研究的深入, 越来越多的柔性压电材料和压电复合材料不断涌现, 给柔性可穿戴力学器件注入了新的发展活力。本文主要概括了柔性可穿戴压电器件的前沿进展, 包括压电原理、柔性压电材料的制备与性能提升方法。此外, 还详细总结了柔性可穿戴压电设备的主要应用方向, 包括医疗健康和人机交互, 以及遇到的挑战与机遇。

铌酸铋钙(CaBi₂Nb₂O₉, CBN)是一种典型的铋层状结构压电材料, 具有高居里温度(约943 ℃)、高稳定性等特点, 是600 ℃以上高温压电振动传感器的重要候选功能元件, 但其压电系数和高温电阻率较低, 严重制约了CBN在高温压电振动传感器领域的实际应用。为了提高CBN压电陶瓷的高温稳定性, 采用固相法制备了W/Cr共掺杂的CaBi₂Nb_1.975W_0.025O₉-x%Cr₂O₃(CBNW-xCr, 0<x≤0.2)单相铋层状结构压电陶瓷, 研究了W/Cr元素共掺杂对晶体结构和电学性能的影响。结果表明: W/Cr元素共掺杂使压电陶瓷晶体结构由正交晶系向四方晶系转变, 晶体结构畸变程度增强, 并且压电性能和绝缘性能显著提高。当x=0.1时, CBNW-0.1Cr压电陶瓷的居里温度为931 ℃, 压电系数为15.6 pC/N, 600 ℃时电阻率达到10⁶ Ω∙cm量级, 介电损耗仅为0.029, 该体系在高温压电领域有重要的潜在应用前景。

反铁电材料由于电场诱导的反铁电-铁电相变而在高性能介质储能电容器应用中显示出极大的潜力。然而, 场致相变带来大的极化滞后使得反铁电材料难以同时获得高储能密度(W_rec)和高储能效率(η)。本工作通过在0.76NaNbO₃-0.24(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃中引入第三组元Bi(Mg_0.5Ti_0.5)O₃调控其弛豫特性, 改善了NaNbO₃基无铅反铁电陶瓷的储能性能。采用传统固相合成法制备了(0.76-x)NaNbO₃-0.24(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃-xBi(Mg_0.5Ti_0.5)O₃无铅弛豫反铁电陶瓷材料, 并研究了该材料的相结构、微观形貌以及介电、储能和充放电特性。结果表明, 引入Bi(Mg_0.5Ti_0.5)O₃在不改变基体反铁电正交R相结构的基础上明显增强了陶瓷的介电弛豫特性, 显著减小了陶瓷的极化滞后性。特别是在x=0.050组成中实现了具有极低滞后的类线性电滞回线。同时, 陶瓷的显微形貌还得到明显改善, 介电常数降低, 击穿场强显著提高。因此, x=0.050的组成在30 kV/mm的中等电场下同时获得了高的储能密度W_rec=3.5 J/cm³与储能效率η=93%。此外, x=0.050组成还显示出优异的充放电特性, 在20 kV/mm下具有高功率密度P_D=131(1±1%) MW/cm³、高放电能量密度W_D=1.66(1±6%) J/cm³以及快的放电速率t_0.9<290 ns。该充放电特性在25~125 ℃的宽温区内保持良好的稳定性。这些研究结果表明, 0.71NaNbO₃-0.24(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃-0.050Bi(Mg_0.5Ti_0.5)O₃陶瓷是一种非常有应用潜力的高功率储能电容器介质材料。

电介质薄膜是通过介质极化方式存储静电能的一种材料, 以其高功率密度和高充放电效率, 在电子器件领域得到广泛应用。目前, 储能密度较低和温度稳定性差仍是电介质储能薄膜的缺陷。本研究采用溶胶-凝胶法在Pt/Ti/SiO₂/Si衬底上制备了0.9BaTiO₃-0.1Bi(Ti_1/2Mg_1/2)O₃(0.9BT-0.1BMT)薄膜, 通过引入BMT期望获得高储能密度及宽温度稳定性, 并研究了退火温度对薄膜的相组成和微观形貌的影响。研究结果表明, 退火温度过高会导致薄膜的致密性明显降低并伴随晶粒尺寸增大, 750 ℃是最佳的退火温度。综合性能研究发现, 1 kHz下, 薄膜的室温介电常数为399, 介电损耗为5.8%。薄膜在各测试频率下的介电温度稳定性满足X9R标准, ∆C/C_{25 ℃}≤±13.9%。通过Currie-Weiss关系计算得到薄膜的弛豫系数(Relaxor value)γ值为≈1.96, 说明其具有明显的弛豫特性。储能特性研究显示, 薄膜的室温储能密度W_rec达51.9 J/cm³, 室温~200 ℃的宽温度范围内, 储能密度W_rec>20 J/cm³, 可释放能量效率η>65%(1600 kV/cm)。在脉冲放电测试中, 薄膜的脉冲放电时间τ_0.9保持在15 μs以内, 且具有优异的频率、温度和循环可靠性。本研究所制备的0.9BT-0.1BMT铁电薄膜具有出色的储能特性和宽温度稳定性, 具备在高温环境中应用的潜力。

近年来, 压力传感器在智能可穿戴纺织品、健康监测、电子皮肤等领域得到了广泛应用。二维纳米材料MXene的出现, 为压力传感带来了全新的突破。Ti₃C₂T_x是压力传感领域研究最多的MXene, 具有良好的机械性能、高导电性、优异的亲水性以及广泛的可修饰性, 是理想的压力传感材料。因此, 近些年研究者们对MXene在压力传感器中的设计和应用进行了大量探索和研究。本文总结了MXene的制备技术和抗氧化方法。同时介绍了基于MXene的微结构设计, 包括气凝胶/多孔结构材料、水凝胶、柔性衬底和薄膜。该类设计有利于提高压力传感器的响应范围、灵敏度和柔韧性, 促进了压力传感器的快速发展。此外, 进一步探讨了MXene压力传感器的工作机制, 包括压阻式、电容式、压电式、摩擦电式、电池式和纳米流体式等。MXene以其优异的特性而在各种机制的传感器中得到了广泛应用。最后, 对MXene材料的合成、性质以及其在压力传感方面的机遇和挑战进行了展望。

随着5G无线通信与低频雷达侦察技术的飞速发展, 低频电磁波辐射已成为当代的严重问题。目前, 中高频段吸波材料的研究已趋于成熟, 而设计低频段吸波材料仍面临巨大的挑战, 亟待研究者们解决。基于四分之一波长相消机制, 本研究设计了0.5~3 GHz低频段复合吸波材料。采用简单的一步水热法, 诱导铁氧体在羰基铁粉与碳纳米管表面生长, 制备出CIPs@Mn_0.8Zn_0.2Fe₂O₄-CNTs三元复合材料, 对比研究了碳纳米管含量对材料吸收峰频率的影响。实验结果表明, 引入碳纳米管, 一方面为材料带来了界面极化、偶极极化等额外的损耗机制, 增加了材料的衰减系数; 另一方面基于四分之一波长相消机制, 高介电与高磁导率的耦合, 使材料在低频段获得良好的阻抗匹配。最终, 在4 mm厚度下, 样品分别在2.11与1.75 GHz处, 获得了-40.8与-32.1 dB的反射损耗, -10 dB带宽分别为1.70~2.70 GHz和1.40~2.20 GHz。该复合材料制备工艺简单, 低频吸收性能良好, 具有很大的应用潜力, 为开发更有效的低频吸波材料提供了新的思路和方法。

反铁电材料凭借超高的功率密度, 在电介质能量存储领域具有极高的研究热度。锆酸铅(PbZrO₃, PZO)是反铁电材料的典型代表, 也是研究最为广泛的反铁电材料之一。如何提升PZO基材料的储能性能是目前的研究重点。本工作在La³⁺掺杂PZO的基础上, 进一步将小半径的Sr²⁺掺入到PZO钙钛矿结构的A位, 实现了PZO基反铁电薄膜储能性能的进一步提升。采用溶胶-凝胶法制备了A位La/Sr共掺杂Pb_0.94-xLa_0.04Sr_xZrO₃(Sr-PLZ-x, x = 0, 0.03, 0.06, 0.09, 0.12)反铁电薄膜, 系统研究了不同Sr²⁺掺杂量对Sr-PLZ-x反铁电薄膜的晶体结构, 以及铁电性能、储能性能和疲劳性能等的影响。结果表明：随着Sr²⁺掺杂量x的增加, Sr-PLZ-x薄膜的晶格常数不断减小, 薄膜的饱和极化强度先略有增加并保持, 后逐渐降低。同时, Sr-PLZ-x薄膜的容忍因子逐步降低, 转折电场不断增大, 反铁电性逐渐增强, 击穿场强有所提高, 储能性能得到提高。在x=0.03时, Sr-PLZ-x反铁电薄膜的储能密度和储能效率分别达到31.7 J/cm³和71%, 储能性能最优。同时掺入Sr²⁺也使得Sr-PLZ-x反铁电薄膜的疲劳性能进一步优化, 其中x=0.12组分薄膜样品在经历了10⁷次循环后, 储能密度和储能效率仅有3.4%和2.7%的衰减。综上所述, A位La/Sr共掺杂可有效提高PZO基反铁电薄膜的储能性能。

基于声表面波(Surface acoustic wave, SAW)技术的无线无源器件是在极端条件下工作的首选传感器, 其中压电衬底在高温环境下的稳定性是影响SAW器件性能的关键因素。钽酸镓镧(LGT)晶体因电阻率高和稳定性好, 是SAW器件理想的高温压电衬底。为了全面评估LGT晶体的高温电阻率和材料系数稳定性, 本工作分别测试了纯LGT和掺铝钽酸镓镧(LGAT)晶体在氧气、氮气和氩气气氛中的高温电阻率, 并采用超声谐振谱(Resonant ultrasound spectroscopy, RUS)技术定征了纯LGT晶体高温全矩阵材料系数。电阻率测试结果显示, 在不同气氛下LGT晶体的高温导电行为明显不同, 纯LGT晶体在400~525 ℃范围内, 氮气中的电阻率最高; 在525~700 ℃范围内, 氩气中的电阻率最高, 700 ℃电阻率高达2.05×10⁶ Ω·cm; 而对于LGAT晶体, 在整个测试温度区间氮气中的电阻率均最高, 700 ℃电阻率达1.12×10⁶ Ω·cm, 略低于纯LGT晶体。高温全矩阵材料系数测试结果显示, 室温~400 ℃范围内, LGT晶体的电弹性能稳定, 随着温度升高, 弹性系数略有降低, 而压电系数d₁₁几乎保持不变。以上结果表明, LGT晶体在高温下具有非常高的电阻率和材料稳定性, 适合作为压电衬底用于制备高温压电器件。本工作的研究结果为LGT基高温压电器件的设计与制备奠定了基础。

BiFeO₃-BaTiO₃(BF-BT)陶瓷兼具高居里温度和优异的压电性能, 在高温压电传感器和驱动器等部件具有广泛的应用前景。BF-BT陶瓷在高温环境下电阻率较低, 易造成器件高温性能恶化甚至失效。因此, 改善BF-BT陶瓷电阻性能是应用推广必须解决的关键问题。作为一种铁酸盐, 其电阻率很难通过掺杂改性等常规方法进行改善。本研究在BF-BT陶瓷体系中发现一种电阻率异常升高的现象, 并证实这与样品中的第二相Bi₂₅FeO₄₀有关。显微结构分析表明, 该第二相具有一种特殊的层状周期性结构, 其中每三排原子构成一个周期, 而缺陷大多集中在其中一层原子当中。本研究采用传统固相法成功地制备出纯相的Bi₂₅FeO₄₀, 将其作为外添加剂加入到0.70BF-0.30BT组分中, 使基体组分在300 ℃的电阻率从1.03 MΩ·cm提高到4.33 MΩ·cm。此外, COMSOL仿真模拟的结果证实, 通过引入该第二相可以将0.67BF-0.33BT组分电阻率提高一个数量级。根据能量过滤效应, 这种特殊的结构具有高能垒, 可以阻碍载流子迁移, 从而提高BF-BT陶瓷电阻率。本工作为改善BF-BT陶瓷电阻率提供了一种切实可行的方法。

AB(O,N)₃型钙钛矿氮氧化物是一类新型功能陶瓷材料, 具有独特的介电/磁/光催化等性能, 在能源存储与转化领域应用前景广阔, 但传统制备工艺耗时长且产物纯度较低。本研究以尿素为氮源、金属氧化物为前驱体, 采用无压放电等离子烧结设备一步合成了钙钛矿氮氧化物SrTa(O,N)₃陶瓷粉体, 并实现了快速致密化。深入研究了升温速率和合成温度对粉体组成与微观形貌的影响, 并对优化后制备的陶瓷块体进行了介电性能表征。结果表明, 较高的升温速率和适中的合成温度有利于氮化反应的充分进行, 在100 ℃/min和1000 ℃下制得的SrTa(O,N)₃粉体纯度最高, 氧氮化物相含量约97%, 粒径分布区间为100~300 nm, Sr、Ta、O、N 四种元素分布均匀。较优的致密化工艺为烧结温度1300 ℃、升温速率300 ℃/min、保温时间1 min, 经烧结制得的SrTa(O,N)₃陶瓷试片致密度可达94%以上, 且纯度很高, 该材料在300 Hz时的介电常数高达8349, 介电损耗为10^-4量级, 优于文献报道值。本研究制备的SrTa(O,N)₃陶瓷的高介电常数与致密度和纯度的调控密不可分, 这是因为气孔和杂质会降低材料介电常数, 高致密度和高纯度是SrTa(O,N)₃氧氮化物陶瓷获得优异介电性能的关键。

铁电陶瓷的力学性能直接决定了其加工性能和铁电器件的可靠性。目前, 无论是实验还是理论报道的压电陶瓷材料的断裂韧性都与30年前的报道接近, 限制了压电器件在高可靠性要求的情况下的应用。本研究试图揭示可用于优化铁电陶瓷断裂性能的参数。利用单轴压缩方法、裂纹尖端张开位移(Crack-tip opening displacement, COD)技术和单边V型缺口梁(Single-side V-notch beam, SEVNB)技术分别测定三种典型PZT陶瓷的应力-应变曲线、本征断裂韧性和长裂纹断裂韧性。结果表明, 本征断裂韧性与材料的杨氏模量正相关, 说明提高铁电体的杨氏模量是提高其本征韧性的有效途径。长裂纹断裂韧性与本征韧性和非本征铁弹性畴变/相变增韧有关, 说明优化铁电陶瓷的铁弹翻转行为可以改善其非本征效应。软掺杂PZT相较于硬掺杂PZT具有较低的矫顽应力和较高的残余应变, 呈现较强的铁弹性翻转和较高的屏蔽韧性; 在不同PZT材料中观察到的断裂模式也被认为与材料不同的铁弹性翻转行为有关, 软PZT陶瓷呈现沿晶断裂, 铁弹性翻转较弱的硬PZT呈现穿晶断裂。综上所述, 优化铁电材料的杨氏模量和铁弹翻转行为有望提升其断裂韧性。

铁电超晶格是由两种或两种以上的铁电材料或非铁电材料在晶胞尺度下交替生长而形成，并具有层状周期性结构的人工薄膜材料。铁电超晶格由于其中存在大量的异质界面, 异常显著的界面效应使其具有优异的铁电、压电、介电和热释电等性能, 甚至表现出其构成材料不具备的新功能特性。铁电超晶格不仅为研究复杂氧化物材料界面电荷和晶格之间的相互作用提供了一个理想的平台, 还将在下一代集成铁电器件中发挥不可或缺的作用。随着制备和表征手段不断进步, 研究人员能够在原子尺度上设计和调控铁电超晶格的微结构和化学成分以提高铁电超晶格的功能特性。铁电极化是铁电薄膜材料最基本的性质, 除了用于信息存储, 还在调节集成铁电器件(如压电器件、光伏器件和电热器件)的能量转换性能方面也发挥着重要作用。因此, 铁电超晶格的铁电极化强度的大小直接决定了由其构成的集成铁电器件的功能特性和实际应用价值。本文首先介绍了铁电超晶格的结构特征、分类以及几种典型的功能特性, 然后结合近期的研究结果重点阐述了影响铁电超晶格极化性能的几种因素, 包括应变效应、静电耦合效应、缺陷效应和周期厚度等, 最后展望了铁电超晶格的未来研究方向, 以期为该领域的研究提供参考。

薄膜电容器是现代电力装置与电子设备的核心电子元件, 受限于薄膜介质材料的介电常数偏低, 当前薄膜电容器难以获得高储能密度(指有效储能密度, 即可释放电能密度), 从而导致薄膜电容器体积偏大, 应用成本过高。将具有高击穿场强的聚合物与高介电常数的纳米陶瓷颗粒复合, 制备聚合物/陶瓷复合电介质, 是实现薄膜电容器高储能密度的有效策略。对于单层结构的0-3型聚合物/陶瓷复合电介质, 其介电常数与击穿场强难以同时获得有效提升, 限制了储能密度的进一步提高。为了解决此矛盾, 研究者们叠加组合高介电常数的复合膜与高击穿场强的复合膜, 制备了2-2型多层复合电介质, 能够协同调控极化强度与击穿场强来获取高储能密度。研究表明, 调控多层复合电介质的介观结构与微观结构, 可以实现优化电场分布、协同调控介电常数与击穿场强等目标。本文综述了近年来包括陶瓷/聚合物和全有机聚合物在内的多层聚合物基复合电介质的研究进展，重点阐述了多层结构调控策略对储能性能的提升作用，总结了聚合物基多层复合电介质的储能性能增强机制, 并讨论了当前多层复合电介质面临的挑战和发展方向。

与其它储能设备相比, 由介电复合材料制得的介质电容器在快速充放电能力与高功率密度方面极具优势, 如何提高介电复合材料能量密度与优化其击穿性能已成为当前研究热点之一。为进一步调控并兼顾介电常数与击穿性能, 本工作基于DBM(Dielectric Breakdown Model, 介电击穿模型), 采用有限元数值模拟, 研究了无机填料的分布对柔性聚二甲硅氧烷(PDMS)基介电复合材料体系的电场与发生介电击穿时击穿损伤形貌演变的具体影响。研究结果表明: 填料与基体边界处存在较大的介电差异, 可以使用较大介电常数的聚合物基体或较小介电常数的无机填料来减小其界面处的高电场区域, 继而提高复合材料的耐击穿能力；同时发现当无机填料分散更均匀时, 其树状损伤通道更容易产生分支, 此种情况将使介电击穿的树状损伤通道的损伤位点增多, 延缓其损伤速度, 继而提高复合材料的耐击穿性能。该研究结果将为开发高储能密度且具有优异击穿性能的有机-无机复合电介质材料提供坚实的理论依据。