InfoMat:多功能钛酸钡陶瓷的化学改性与相结构调控

铁电压电材料是一类非常重要的功能材料,已广泛应用于致动器、传感器、超声换能器、谐振器、滤波器等。目前,使用最多的是铅基铁电压电陶瓷材料,但具有毒性的铅会对人体和环境造成危害。由于人们对环境保护和可持续发展的关注日益增加,高性能无铅铁电压电陶瓷的研究变得更加重要和紧迫。2016年,欧盟更新了RoHS法令,拟加快推进压电全产业链的无铅化进程。钛酸钡(BaTiO3, BT)陶瓷是最早被发现的钙钛矿型铁电压电陶瓷。由于具有较高的介电常数,该类材料最初被用作制备各种介电器件。近十年,利用相界设计大幅度提高了BaTiO3陶瓷的压电性能,其压电性能媲美PZT-5H。除了压电性能外,关于BaTiO3陶瓷其它功能性质的研究也得到了快速发展:电卡、电致伸缩、介电储能、巨介电常数等等。这些发展为BaTiO3基陶瓷的潜在应用提供了更多的机会。

近日,来自四川大学材料科学与工程学院的吴家刚教授在Wiley出版集团新推出的信息材料领域高影响力期刊InfoMat(入选中国科技期刊·卓越行动计划高起点新刊)上发表题为“Multifunctional barium titanate ceramics via chemical modification tuning phase structure”的综述文章,结合作者的科研工作以及他人报道结果系统总结了钛酸钡基陶瓷的化学改性、相结构优化以及电学性能增强的研究进展。如图1所示,本文首先详细总结了不同元素取代/掺杂对BaTiO3陶瓷介温曲线和相结构的影响规律,为通过化学改性调控BaTiO3陶瓷相结构提供了有效指导。

图1 化学改性对BaTiO3陶瓷相结构和介温曲线的影响规律

然后,本文系统综述了通过化学改性调控相结构并最终优化BaTiO3陶瓷的压电、电致伸缩应变、电卡、介电储能、高介电等性能的最新进展,阐述了优化各电学性能通用的相结构(相界、弛豫相、室温铁电-顺电相转变等)设计策略和设计方法,并介绍了相关的代表性工作和物理机理。最后,本文对BaTiO3陶瓷的未来研究所面临的挑战、机遇以及应用前景做了展望。

图2 化学改性调控相结构并最终优化BaTiO3陶瓷电学性能

本文第一作者为四川大学博士研究生赵纯林和黄艳莉;通讯作者为四川大学吴家刚教授。

DOI:10.1002/inf2.12147

【个人简介】

吴家刚,教授,博士生导师,国家优秀青年科学基金、全国宝钢优秀教师、中英国际人才项目-牛顿高级学者基金获得者,四川大学材料科学与工程学院副院长,四川大学材料科学与工程国家级实验教学示范中心副主任,入选Elsevier中国高被引学者。主要研究方向为铁电压电陶瓷材料的性能调控及物理机制研究。作为第一作者或(共同)通讯作者已发表SCI收录论文170余篇、被SCI他引5000余次,H因子45;代表性期刊包括Chem Rev (2篇)、Prog Mater Sci (2篇)、Chem Soc Rev、J Am Chem Soc (4篇)、Adv Mater、Energy Environ Sci等。