Improvement of fatigue endurance through modulating strain response in BaTiO3–Ca3Ti2O7 composite ceramics

材料科学 铁电性 陶瓷 电场 电容器 储能 铁电陶瓷 压电 复合材料 极化(电化学) 复合数 光电子学 电压 电介质 电气工程 物理 功率(物理) 化学 物理化学 量子力学 工程类
作者
Tianqi Xiao,Zhifeng Xiao,S. Y. Wang,Zhiyan Li,Xiaoyu Tian,W.F. Liu
出处
期刊:International Journal of Modern Physics B [World Scientific]
标识
DOI:10.1142/s0217979224502692
摘要

Ferroelectric ceramics are highly desired for applications in energy storage devices due to their fast charge-discharge capability. However, electric field-driven gradual degradation of ferroelectric polarization (i.e., fatigue) inevitably results in a decrease in energy efficiency and energy storage density. Therefore, improving fatigue endurance is one challenge for their practical applications in energy storage devices. Here, we provide a strategy to modulate the strain response to the external electric field, and thus, increase the fatigue endurance by employing hybrid improper ferroelectricc Ca 3 Ti 2 O 7 ceramic that exhibits a negative piezoelectric effect. We synthesized [Formula: see text] BaTiO[Formula: see text] Ca 3 Ti 2 O 7 (BT-xCT) ceramics, in which the strain response of ceramics to the electric field gradually decreases with the increasing proportion of Ca 3 Ti 2 O 7 . For BT-0.3CT ceramic, the energy density storage efficiency is improved to 74.95% which is much higher than that of BT-0.1CT (48.07%). The strain response to the external electric field of BT-0.3CT is substantially lowered and almost reaches zero, leading to excellent fatigue endurance ability. This research work paves a route for designing ferroelectric ceramics with smaller strain response and enhanced fatigue endurance ability, which is expected to benefit a wide range of applications of ferroelectric ceramics in various electric capacitors and electric storage devices.
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