Acta Mater.：Gd摻雜CeO2陶瓷中的電致伸縮的松弛和飽和

【引言】

如今具有電致伸縮性能的材料發揮著越來越重要的作用，例如蜂窩電話相機中的聚焦設備和聲吶中都用到這種材料。電致伸縮是與所施加的電場振幅的平方成比例的機電響應，它是由電場中電介質的極化引起的，并且可以發生在所有的電介質中。隨著電致伸縮器件的發展，電致伸縮材料的研究也得到了促進。

【成果簡介】

近日，來自以色列魏茨曼科學研究所的Igor Lubomirsky（通訊作者）等人研究發現，摩爾比例為10％的Gd摻雜二氧化鈰（10GDC）的致密的陶瓷顆粒顯示出非經典的電致伸縮，并且與施加電場的頻率和振幅具有顯著的相關性。

【圖文導讀】

圖1 不同處理條件下的10GDC樣品的XRD和SEM圖

（a）在Bragg-Brentano模式下以可變狹縫寬度測量的10GDC顆粒P06-06（在O₂氣氛中加熱之前）的XRD圖案。其（h k l）指數對應于螢石立方晶格的衍射峰（ICSD＃2879）。

（b）燒結顆粒P09-01的SEM圖像。平均粒徑為0.79μm。

（c）燒結顆粒P09-01在1350℃下生長20小時后的SEM圖像。平均粒徑為1.36μm。

（d）燒結顆粒P09-01在1450℃下生長50小時后的SEM圖像。平均粒徑為5.6μm。

圖2 在頻率為0.15-9Hz下，縱向負應變和施加電場平方的函數關系

（a）樣品P06-03的應變飽和行為，虛線表示擬合到等式（1）的結果。

（b）樣品P06-06的應變飽和行為，虛線表示擬合到等式（1）的結果。

（c）低場下球狀P09-02的線性配合 。

（d）E_sat的頻率相關性（樣品P06-06、P06-03、P09-02、P09-01-HT2pp應用等式（2））。

等式（1）

等式（2）

圖3 不同樣品在不同電場條件下的M₃₃松弛

（a）在施加電場<4 kV / cm、頻率<10Hz時，樣品P06-06和P06-03的M₃₃松弛。虛線表示擬合到等式（2）的結果。

（b）對于P09和P05樣品顆粒，在施加電場<10kV / cm時，M₃₃的頻率依賴松弛高達500Hz。

圖4 樣品的Nyquist曲線圖和電阻計算值

（a）室溫下在0-135V直流偏壓、10V交流、頻率范圍1MHz-1mHz、使用Ag電極測量時樣品P09-04的Nyquist曲線圖。 其中上方的圖是測量電致伸縮的頻率范圍為1MHz-150mHz的放大圖，下方的圖是150mHz-1mHz的頻率范圍的放大圖。

（b）處理顆粒P09-04的室溫Nyquist圖上的兩個阻抗半圓獲得的電阻值和施加的直流偏壓V_DC的函數關系圖。電阻是通過將Nyquist曲線擬合成圓弧，然后利用兩弧半徑計算得到。

圖5 不同溫度和電流條件下樣品P09-04的Nyquist曲線圖

（a）在10V AC和0V直流下測量的高溫（80-106℃）顆粒P09-04的Nyquist曲線圖。

（b）在10V AC和50V直流偏壓下在106℃下測量的顆粒P09-04的Nyquist曲線圖。虛線表示顆粒內部（黃色），晶界（紅色）和接觸（綠色）的半圓擬合結果。

圖6 不同溫度下，樣品P09-04的I-V曲線圖

在95℃，110℃和150℃下，根據10Vac和50-135U_DC的IS測量估計的10GDC陶瓷（樣品P09-04）中晶界的I-V曲線。其中I = U_DC / R_total，其中R_total是晶粒內部電阻，即晶界和電極界面的總和。在T = 95℃和U_DC = 50V以上時，電極界面電阻不顯著。U_gb =（U_DC?R_gb / R_total）/ N_gb，其中N_gb為顆粒厚度除以平均顆粒直徑的估計。對于圖形橫坐標，U_gb以V_th = kT / q為單位給出。

【小結】

研究表明，在室溫下縱向電致伸縮應變系數表現出非理想的德拜頻率依賴性，從約0.3Hz至約10Hz可以減少高達兩個數量級。由薄膜上的X射線吸收測量得出的GDC機電活性起源的模型表明，在較低頻率下的弛豫可能是非經典電致收縮體一般的材料性質。在10GDC陶瓷中，縱向電致伸縮應變在大于1kV / cm，頻率<1.5Hz的電場中飽和。這種新型的電致伸縮活性材料的研究還有更多的工作要做，解決了這些復雜的問題后才能將其投入到實際應用中。

文獻鏈接：Relaxation and saturation of electrostriction in 10?mol% Gd-doped ceria ceramics（Acta Mater. , 2017, DOI: 10.1016/j.actamat.2017.10.056）

本文由材料人電子電工學術組徐濤供稿，材料牛整理編輯。

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