BiFeO3铁电材料的冲击相变与放电性能研究

Ferroelectric pulsed power source (FEG) can generate high pulsed power in a compact device, which is of great importance for the modern and military industries. The ferroelectric materials are the key functional parts in these applications, and the application is characterized by sudden release of the bound charge by rapid depolarization through compression (high strain rate loading). This offers a further set of options for materials design in the realm of energy conversion, especially for the high-power density applications. PZT ferroelectric materials have dominated this field for more than half century, and up to now there is no ferroelectrics available to substitute PZT compounds. In this study, we would investigate the electric behaviors and phase transition of BiFeO3 under compression due to its high Pr and high Tc. The Pr determine the charge shored/released on the materials; the Tc is critical for temperature stability. This study might extend the potential application of the BiFeO3 and guide further application and development of new FEGs.

铁电功率脉冲电源在国防科研和高技术领域具有重要应用，铁电材料是其中的关键基材。工作原理是利用铁电材料极化储能，然后利用冲击波改变材料结构，使其失去极性释放电荷形成电流。在过去的半个世纪，仅有锆钛酸铅一种铁电材料在此方向有着应用。目前，由于对其他铁电材料的冲击性能认识不足，还没有材料能对PZT进行替换和补充。BiFeO3为新型高储能多铁材料，在过去二十年一直是铁电物理领域研究的热点。BiFeO3具有高剩余极化、高居里温度等特性，这意味着BiFeO3的冲击相变研究在功率脉冲电源方面有着重要的应用前景。本项目选择了BiFeO3铁电材料为对象，结合中子衍射，研究其在冲击作用下的相变与能量输出特性。此研究结果有望为铁电脉冲电源的发展提供新的材料体系，同时对于高压铁电物理的发展有着积极意义。

铁电高功率脉冲电源(FEG)在现代工业、军事工程和高科技应用中具有重要应用。铁电陶瓷是FEG中的关键材料，其工作原理是利用铁电陶瓷的极化来存储能量，然后在冲击压缩下快速改变材料的结构，使其失去极性从而释放电荷并在电路中形成电流。BiFeO3是一种新型的高性能铁电材料，它具有高居里温度、大剩余极化等优异的性能和无铅的特性，在过去的几十年里受到了广泛的关注。本项目选择了BiFeO3铁电材料作为实验对象，利用静高压手段，研究BiFeO3陶瓷结构随高压的变化，揭示BiFeO3铁电材料结构随压力的变化过程，建立可靠的高压P-V关系；利用动高压加载手段对BiFeO3陶瓷进行加压，揭示高压BiFeO3铁电材料的冲击退极化行为，研究发现BFO具有优良的冲击放电性能，后续器件设计将会将BFO材料纳入材料选型之一。结合动静高压试验和理论计算，建立了“压力-性能-结构”之间的三维关系，为进一步的材料改性提供理论指导。由于BFO铁电材料和传统的PZT材料相比，具有较高的击穿场强和功率输出密度，因此在器件的小型化方面，具有一定的应用优势。另外，BFO基铁电材料的高压行为研究和其机理解释对于基础物理研究也有着一定的理论意义，对于高压功能材料的学科发展有着直接的促进作用。