织构工程调控多层陶瓷电容器的电机械击穿：计算模拟与机器学习

【成果介绍】

近日，武汉理工大学沈忠慧特聘研究员，联合刘韩星教授、清华大学南策文院士和美国宾州州立大学Long-Qing Chen教授等提出了耦合电致伸缩效应的电机械击穿模型，探究了织构工程对储能陶瓷耐压强度的影响。本工作以NBT-SBT多层陶瓷为例，从局部电场/应力场分布及相应能量密度出发，系统探究了材料本征参数和微观结构等非本征因素对电机械击穿过程的影响。并结合机器学习等手段提出了织构工程设计的理论优化方案。相关成果以“Texture Engineering Modulating Electromechanical Breakdown in Multilayer ceramic Capacitors”为题发表在Advanced Science期刊上。

【研究背景】

近年来，由于陶瓷电容器具有超高功率密度和优异的抗疲劳性等显著特点，有望广泛应用于从高功率微波到电磁脉冲武器和混合动力电动汽车等领域。然而，其相对较低的能量密度已成为制约陶瓷电容器发展的技术瓶颈之一。电介质电容器的能量密度主要由电致极化和击穿场强决定，如图1(a)中的P-E曲线所示。然而，它们之间的倒置耦合关系一直是提高能量密度的主要障碍。不能同时提高极化强度和击穿强度的一个容易被忽视但很重要的原因是介电陶瓷中电-力耦合效应。当外加电场作用下，介电陶瓷产生电致极化的同时还伴随着由于电致伸缩效应产生的电致应变，这可能在高场下容易引发脆性陶瓷的机电击穿。陶瓷的电场致应变S_ij可由S_ij = Q_ijklP_kP_l计算，其中Q_ijkl和P_k/P_l分别表示电致伸缩系数和极化。例如，如果将Q₃₃₃₃高达0.05 m⁴ C^-2的介电陶瓷组装成多层陶瓷电容器(MLCC)，当施加电场在50–80 MV m^-1的情况下，电致极化高达0.5 C m^-2，并且能够产生超过1%的巨大电致伸缩应变。更重要的是，在多晶陶瓷电介质中，晶粒与晶界之间电学/力学性能的不匹配会进一步导致局部电场/应力场的严重聚集，从而引发击穿热点导致机电失效。因此，降低电场诱导应变有助于避免机电故障的过早发生，从而提高MLCC的击穿强度。

近年来，为了了实现极化和击穿场强同步提升，已经成功地开发了许多提高能量密度的有效方法，如高熵策略、畴工程和复合结构设计等。然而，大多数研究主要集中在电致极化对击穿强度的影响上，而忽略了场致应变的影响。为此,基于钙钛矿结构的强电致伸缩各向异性，提出了织构工程来降低Na_0.5Bi_0.5TiO₃-Sr_0.7Bi_0.2TiO₃(NBT-SBT)陶瓷的场致应变，从而缓解MLCC的机电击穿(Nat. Mater. 2020, 19, 999.)。发现由于沿<111>晶体学方向的Q₃₃₃₃最小，<111>织构的NBT-SBT陶瓷在所有样品中表现出最低的S₃₃，最终，<111>织构陶瓷的击穿强度比无织构陶瓷的击穿强度高约65%，并且在103 MV m^-1的击穿场强下实现了21.5 J cm^-3的高能量密度。因此，织构工程已被证明是一种通过调节电致伸缩响应来提高MLCC陶瓷的击穿强度和储能密度的可行且实用的策略。然而，对于织构工程如何影响陶瓷的电机械击穿过程和储能性能仍缺乏深入的了解，为了进一步指导后续的实验设计，迫切需要厘清织构陶瓷中的结构-性能关系。         

【图文介绍】

图3：织构构型对局域能量密度的影响。与图2中的场分布类似，不同构型的静电能分布大致相同。例如，在20 MV m^-1的电场下，<100>织构陶瓷样品的平均静电能密度为~1.49×10⁶ J m^-3，与<111>织构陶瓷样品的~1.45×10⁶ J m^-3相近。而不同构型下的应变能密度完全不同，随着织构构型从<100>变化到<111>，应变能密度分布变得更均匀，平均应变能密度从1.61×10⁴ J m^-3急剧下降到690 J m⁻³。因此，调控织构构型可以使应变能分布更低、更均匀，更有利于延缓和抑制机电击穿的过早发生。

图5：织构工程中本征参数的影响。通过高通量计算研究了材料的一些本征参数如电致伸缩系数Q_ijkl，本征击穿强度以及本征断裂强度对电机械击穿过程的影响。发现低Q_ijkl可以减小电致伸缩应变，缓解局部应力场的聚集，抑制微裂纹的产生；高可以使陶瓷能承受更高的外加电场；高可以抵抗较大的局域场致应变，大大降低陶瓷的机电击穿概率。因此，通过控制这些本征因素可以改变介电陶瓷的电机械击穿行为从而提高击穿场强。

图7：织构工程的机器学习。基于高通量计算的数据，通过机器学习得到了可以半定量预测陶瓷击穿强度的解析表达式，其决定系数R²高达0.950。进一步，利用eXtreme Gradient Boosting回归中的权重型算法来评估每个特征变量对模型性能的影响以发现更重要的特征变量，从而有效指导实验设计具有更高击穿强度的织构陶瓷。发现变量G和ρ具有较高的特征重要性，因此，织构陶瓷在具有较低Q_ijkl以及较高V_f的前提下，进一步降低G和ρ对于提高击穿场强更为关键。

【通讯作者简介】