Achieving synergistic electromechanical and electrocaloric responses by local structural evolution in lead-free BNT-based relaxor ferroelectrics

电热效应 电致伸缩 材料科学 电场 偶极子 铅(地质) 相(物质) 凝聚态物理 光电子学 铁电性 复合材料 压电 电介质 物理 地貌学 量子力学 地质学
作者
Guohui Li,Cheng Shi,Kun Zhu,Guanglong Ge,Fei Yan,Jinfeng Lin,Yunjing Shi,Bo Shen,Jiwei Zhai
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier]
卷期号:431: 133386-133386 被引量:38
标识
DOI:10.1016/j.cej.2021.133386
摘要

Self-actuating cooling materials based on synergistic electromechanical (EM) and electrocaloric (EC) responses are expected to lead next-generation of intelligent cooling devices. However, most current materials with the two responses present poor performance, narrow operation-temperature span and high driving electric field, and even contain toxic lead. Here, environmentally benign lead-free Bi0.5Na0.5TiO3-based (BNT) system was designed to achieve large combined response of two effects in a large temperature span by adjusting intrinsic A-site Na+/K+ ratio to induce relaxor evolution. Simultaneously, high EC strength and large electrostrictive coefficient over a wide temperature range were obtained to resolve these challenges. The local-structural evolution is studied in detail to provide a theoretical basis for future application of this intelligent material. A novel asymmetric EC response presenting a larger endothermic peak was realized at a low electric field (<3 kV mm−1), which can provide a guideline for the development of low-driving-field EC materials to a certain extent. The phase-field simulation was performed to predict this unique behavior by describing the corresponding dipole coupling states under various electric fields.
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