Composition design of BNBT-ST relaxor ferroelectric ceramics in superparaelectric state with ultrahigh energy density

材料科学 相界 电介质 介电常数 陶瓷 四方晶系 铁电性 压电 矿物学 复合材料 相(物质) 凝聚态物理 光电子学 物理 有机化学 化学
作者
Dong Yang,Junyuan Tian,Shuo Tian,Fang Yu,Kailiang Ren
出处
期刊:Ceramics International [Elsevier BV]
卷期号:49 (17): 27750-27757 被引量:15
标识
DOI:10.1016/j.ceramint.2023.05.239
摘要

BNT-6BT-based lead-free ceramics have gained significant attention due to their relatively large piezoelectric coefficients and tunable morphotropic phase boundary conditions. In this investigation, SrTiO3 (ST) was added to BNT-6BT ceramics to fabricate the BNT-6BT-xST (BNBT-xST) composition. The impact of ST content on the phase structure and dielectric permittivity of the BNBT-xST ceramics was studied. The XRD refinement data show that with increasing ST content, the crystal structure of BNBT-xST ceramics was transformed from the morphotropic phase structure (coexisting tetragonal (P4/mmm) and pseudo-cubic (Pmm) phase) to the pseudo-cubic phase. The dielectric permittivity data of the BNBT-80ST showed that the Tm (the maximum permittivity temperature) moved to −61.9 °C, which caused the room temperature to fall within the range of Tm < T < TB (the Burns temperature). This makes the BNBT-80ST a superparaelectric state in relaxor ferroelectrics (RFE). Furthermore, the maximum energy density and the charge-discharge efficiency of the BNBT-80ST achieved 5.48 J/cm3 and 87% at 495 kV/cm, respectively. The energy density of the BNBT-80ST was improved by 2.97-fold and 49% compared with that of the BNBT-30ST and BNBT-70ST. This is mostly attributed to weakened ferroelectricity and improved paraelectricity in the BNBT-80ST. This investigation demonstrates that BNBT-xST ceramics can be adjusted to a superparaelectric state with an ST content of 80%. This makes the material to possess both a large polarization and a high breakdown field. This material holds great promise for high energy density capacitor applications.
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