2026年 06期
新型电介质陶瓷材料及器件的发展机遇和挑战
吴啸;郭金明;<正>陶瓷的发展历程贯穿中华文明演进始终，作为全球先进陶瓷材料大国，中国在航天装备、电子信息、生物医疗等战略性高科技领域持续取得新型陶瓷材料的关键技术突破与工程化应用成果，续写了千年瓷国的新篇章。电介质陶瓷材料是电子信息领域的关键基础材料，凭借其独特的介电、压电、铁电、热释电、电卡、电光等物理性能，在电容器、滤波器、压电致动器、储能器件等现代电子元件中扮演着不可替代的角色。从多层陶瓷电容器的小型化与高容量化发展，到微波介质陶瓷在5G/6G通信系统中所展现的高频工作能力与低介电损耗特性，再到高功率脉冲技术中储能陶瓷材料能量密度的持续性提升，电介质陶瓷始终推动电子元器件向高频化、集成化、微型化和高可靠性方向前进。
掺铒锆钛酸铅镧反铁电薄膜的反常电控光致发光效应
高畅;张天祐;吴世喆;裴家杰;徐泽东;赵纯林;吴啸;林枞;高旻;光致发光效应的电场调控可以用于光信息存储与通信等领域。如何在薄膜材料中实现光致发光强度的巨幅调控至关重要。以铒离子(Er3+)掺杂的锆钛酸铅镧(Pb0.98La0.02Zr0.95Ti0.05O3,PLZT-Er)反铁电薄膜为对象，深入分析其电控光致发光效应。在外加电场为830 k V·cm–1时，可逆光致发光强度调控幅度达–85%，远超PLZT-Er陶瓷材料(+30%)。完全相反的电控光致发光变化趋势表明了PLZT-Er薄膜与陶瓷材料在电场作用下存在结构演化差异。PLZT-Er薄膜在电场作用下反常的光致发光强度减弱现象揭示了薄膜中Er3+周围局部晶体场对称性在电场调制下增强，其原因可归结于基底钳位效应导致的反铁电正交相向铁电正交相的相变过程，以及电场强度不足时亚铁电相向反铁电相的不完全相变。
铁酸铋基陶瓷的相结构调控及高温压电性能优化
王晶晶;史云晶;范永涛;翟继卫;随着航空航天、汽车、冶金及石油化工行业的快速发展，压电传感器被要求在高温环境中持续工作。然而多数压电材料存在退极化温度较低的问题，严重限制其实际应用。铁酸铋基陶瓷因其在高温环境中表现出较强的压电响应而备受关注。基于此，采用传统陶瓷工艺制备了化学组成为0.99(0.7BiFeO3–0.3BaTiO3)–0.01Bi0.5Na0.5TiO3–xLi_2CO3(x=0, 0.001, 0.003, 0.005简写为BFBTBNT–xLi)的陶瓷。随着Li_2CO3含量的增加，陶瓷由三方(R)相逐渐演变为赝立方(PC)相结构，其中，0.3Li为R–PC共存相。Li_2CO3掺杂的BFBTBNT–xLi陶瓷，其居里温度从483℃升高至535℃，同时样品的介电损耗降低。陶瓷的剩余极化强度随Li_2CO3的增加而增大，在0.3Li到达最高值。随后由于陶瓷矫顽场的升高，剩余极化强度相应减弱。研究发现，Li_2CO3可增大氧空位的迁移势垒从而抑制氧空位的形成，故陶瓷的绝缘性显著增强。0.3Li具有最优的压电常数为183 pC·N–1和高达380℃的退极化温度，在高温压电领域具有潜在应用价值。
K0.5Bi0.5TiO3–SrTiO3陶瓷的制备及储能性能
朱欣颖;杨乐陶;黄厚兵;为应对铅基电介质陶瓷带来的环境问题并满足高性能、高功率储能电容器的需求，开发高效无铅储能材料至关重要。本工作采用传统固相反应法成功制备了(1–x)K0.5Bi0.5TiO3–x SrTiO3(KBT–ST)无铅介电陶瓷体系。系统研究了SrTiO3引入对材料微观结构、相演变及电学性能的影响。结果表明，所有组分均形成单一钙钛矿相，且显微结构致密；随着SrTiO3含量的增加，陶瓷的介电常数温度稳定性显著提升，介电峰向低温移动；电滞回线逐渐变细证明材料从典型铁电体转变为弛豫铁电体。其中，最优组分0.6KBT–0.4ST在210 k V/cm电场下获得了高达3.64 J/cm3的可回收储能密度及70%的能量效率，表明KBT–ST陶瓷极具应用前景的高性能无铅储能电介质体系。
PbZr0.52Ti0.48O3/MgO多层膜的制备与储能性能
冯莹;魏贤华;PbZr0.52Ti0.48O3(PZT)薄膜铁电性能优异，在介质储能领域广受关注，但漏电流大、击穿场强受限的问题制约其应用。利用高绝缘性MgO，构建PZT/MgO多层异质结构，结合500～600℃退火温度调控优化性能。结果显示，多层膜随温升结晶度提升，550℃最优退火温度下，薄膜击穿场强高达6.77 MV/cm，可恢复能量密度66.0 J/cm3，能量效率68.9%，且介电损耗、漏电流小，频率及循环稳定性优异。研究表明，MgO层的插入以及结晶度对极化与击穿的平衡策略，可有效抑制载流子迁移，获得较佳的储能性能。
三元铟铌酸铅–铌镁酸铅–钛酸铅透明铁电陶瓷的制备及其电光性能调控
谢欣贵;程思蕊;王亚祺;史国庆;张忠胜;陈春明;张永成;高性能电光材料是研制高调制速率、大带宽、低串扰等高端电光器件的关键，是新一代信息技术的重要组成部分。本工作通过两步烧结法制备了具有优异电光性能的La掺杂三元x PIN–(85–x)PMN–15PT透明电光陶瓷，研究了PIN的固溶配比对其透光率、电光系数、消光比、铁电性能、介电性能、显微结构和物相结构的影响。结果表明，PIN固溶配比为5%(摩尔分数)时，透明电光陶瓷具有最大二次电光系数(51.0×10–16 m2/V2)，高消光比31.87 dB以及高透光率T=66.87%@1550 nm。进一步搭建了电光调制系统，实现了250 kHz的正弦波调制以及音频信号调制，验证了PIN–PMN–PT三元透明电光陶瓷在光通信中的应用潜力，为高性能电光器件的研发提供了重要的材料基础。
兼具可见光区高透过率与储能性能的无铅铌酸钾钠基弛豫铁电储能陶瓷
王子怡;黄翔宇;孙一鸣;彭建凌;林奇发;林锦锋;杨震;采用传统固相反应法并结合无压烧结工艺，制备了(1–x%)(K0.5Na0.5NbO3)–x%(Sr0.7Bi0.2TiO3)(x=1、4、7、10、15，摩尔分数)无铅铁电陶瓷，简称为x SBT，并系统研究了其微观结构、相结构演变、光学及储能性能。结果表明，SBT的引入有效细化了晶粒尺寸，促进了致密化，使7SBT和10SBT陶瓷在可见光区分别获得约72%和58%的高透过率。同时，SBT掺杂还诱导了KNN陶瓷由正常铁电体向弛豫铁电体转变，其中7SBT和10SBT组分表现出显著的弛豫特性。7SBT陶瓷在150 k V/cm电场下的储能效率(η)～52%，可恢复储能密度(Wrec)可达～1.05 J/cm3；对于弛豫性更强的10SBT陶瓷，在300 k V/cm电场下的η约为52%,Wrec可达3.61 J/cm3，这优异的综合性能(储能密度与透光性)在已报道的无铅铁电陶瓷中具有显著优势，为开发适用于光电集成领域的高性能无铅铁电透明储能介质提供了重要的材料体系与理论支撑。
稀土Dy/Eu掺杂对铌酸钾钠基压电陶瓷结构与性能的影响
孙静雯;王佳蕊;王子玥;郝继功;李伟;采用传统固相合成法制备了稀土(Dy/Eu)掺杂的0.96(K0.48Na0.52)(Nb0.95Sb0.05)O3-0.04Bi0.5(Na0.82K0.18)0.5ZrO3无铅压电陶瓷，系统研究了Dy/Eu对其结构和电学性能的影响。结果表明，Dy/Eu的引入促使陶瓷的相结构由菱方–四方共存相逐步向赝立方相结构转变。适量的掺杂有效提升材料的铁电性能与电致应变性能，其中：0.10%(摩尔分数)Dy和0.05%Eu掺杂的样品在70 k V/cm电场下的单向应变Suni分别达0.257%和0.241%，对应的压电应变系数d33*分别为367 pm/V和344 pm/V。同时，0.05%Dy和0.05%Eu掺杂样品在25～100℃温度区间的电致应变波动幅度小于10%，表现出优异的温度稳定性，在压电驱动器方面展现出良好应用前景。此外，稀土Dy/Eu掺杂还使陶瓷具备优异的光致发光特性；在蓝光激发下，Dy3+掺杂样品呈现强黄光发射，而Eu3+掺杂样品则发出明亮的橙红色光。该材料兼具电学性能与发光特性，在光电耦合器件中具有潜在的应用价值。
SrAl0.5Nb0.5O3调控BiFeO3基弛豫铁电陶瓷的储能性能
赵钦福;张馨升;曹舒尧;王伟国;张萍;刘强;陈雷;康芳;本工作采用两步烧结法制备了(0.7–x)Bi1.02FeO3–BaTiO3–x Sr(Nb0.5Al0.5)O3((0.7–x)BF–0.3BT–x SAN)高温弛豫铁电陶瓷。所有的陶瓷展示了伪立方相结构，且随着x增加，陶瓷的晶格收缩，BO6八面体中局部结构无序性增强。0.54BF–0.3BT–0.16SAN陶瓷中适当介电常数(ƒ为1000)有利于提高其击穿场强。两步烧结的0.54BF–0.3BT–0.16SAN陶瓷在100 Hz 、 370 k V/cm时同时获得3.90 J/cm3的可恢复储能密度和85.5%储能效率的优异能量存储性能。此外，0.54BF–0.3BT–0.16SAN陶瓷具有优异的宽温(–20～100℃)、频率(1～1000 Hz)和疲劳(105次循环)稳定性。目前的工作为设计高性能介电材料提供了一种有前景的策略。
光固化成型制备多孔钛酸钡压电陶瓷
邹忠良;赖智浩;罗浩峰;陈燕;纪轩荣;钛酸钡压电陶瓷具有良好的压电性能和较大的介电常数，但其较高的密度和声阻抗，限制了其在传感器、水听器等换能器中的广泛应用。本工作通过引入不同质量分数的聚甲基丙烯酸甲酯[PMMA,0～20%(质量分数)，粒径～15μm]制备多孔钛酸钡压电陶瓷，系统研究了PMMA含量对陶瓷的微观形貌、相结构、电学性能以及声阻抗的影响。当PMMA含量为20%时，样品的孔隙率为25.7%、压电常数d33为135 pC/N、介电常数εr为407、声阻抗Z为15.25 MRayls；与未添加PMMA的致密陶瓷(孔隙率为6.0%、d33=223 pC/N、εr=1255、Z=23.12 MRayls)相比，随着PMMA含量的增加，陶瓷中引入的气孔显著增多，导致陶瓷的密度和声阻抗明显降低，同时伴随压电与介电性能逐步下降。结果表明，采用光固化成型技术制备多孔钛酸钡陶瓷，通过添加不同含量的PMMA调控其压电陶瓷的电学性能，同时保持良好的电学性能，从而拓展其在声学器件中的应用潜力。