中国粉体网讯 据上海硅酸盐研究所官网消息，近期其在机器学习辅助微波介质陶瓷及铁电陶瓷电致应变行为领域取得了进展，对各自相应应用领域的材料研发有重要意义。
在机器学习辅助微波介质陶瓷研究中取得进展
微波介质陶瓷（MWDC）是应用于微波频段电路中作为介质材料（主要是UHF、SHF频段，300MHz~300GHz频段波长介于0.1mm-1m的电磁波）并完成一种或多种功能的新型陶瓷材料。适于制作现代各种微波器件，如电子对抗、导航、通讯、雷达、家用卫星直播电视接收机和移动电话等设备中的稳频振荡器、滤波器和鉴频器，能满足微波电路小型化、集成化、高可靠性和低成本的要求。微波介质陶瓷作为微波集成电路基板、介质谐振器、介质天线等通信电子元器件的关键材料，近年来随着5G技术的蓬勃发展，受到越来越广泛的关注。
另一方面，材料信息学借助机器学习等方法对数据进行建模分析，挖掘物理量之间的隐含关联，构建定量“构效关系”，从而加速新材料研发，目前已在一些材料研究领域得到运用并证实了其可靠性。然而，学界针对微波介质陶瓷材料的性能预测与理性设计的机器学习模型研究的报道较少。
近期，中国科学院上海硅酸盐研究所无源集成器件与材料研究团队采用机器学习方法，研究微波介质陶瓷的材料特征与介电性能之间的关系，提出了一种普适性强、准确性高的介电常数预测模型，并以此为依据预测了新的低介电常数微波介质材料。最优预测模型经过数据清洗、两步降维、模型超参数优化、特征量组合寻优和多算法对比等步骤获得。研究表明，除了降低单位体积离子极化率（ppv）之外，降低平均键长（blm）和提高每个原子所占的晶胞体积（va）都可有效降低材料介电常数。利用机器学习模型，从3300余种未报道介电常数的无机材料中筛选出潜在的低介电常数材料，并从中选取了若干种进行制备和测试，验证了预测结果的可靠性。相关相关成果以Machine learning approaches for permittivity prediction and rational design of microwave dielectric ceramics为题，发表在Journal of Materiomics上。
基于ACSO体系的微波介质陶瓷Q×f的模型预测与实验验证
在弛豫铁电陶瓷电致应变行为研究中取得新进展
压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的信息功能陶瓷材料-压电效应，压电陶瓷除具有压电性外， 还具有介电性、弹性等， 已被广泛应用于医学成像、声传感器、声换能器、超声马达等。压电陶瓷利用其材料在机械应力作用下，引起内部正负电荷中心相对位移而发生极化，导致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷即压电效应而制作，具有敏感的特性，压电陶瓷主要用于制造超声换能器、水声换能器、电声换能器、陶瓷滤波器、陶瓷变压器、陶瓷鉴频器、高压发生器、红外探测器、声表面波器件、电光器件、引燃引爆装置和压电陀螺等。
在众多应用中，压电致动器具有驱动力大、抗电磁干扰、轻量化等优点，被认为是一类极具发展潜力的微位移器件，压电陶瓷材料作为压电致动器的重要组成单元，其电致应变行为是决定致动器性能的关键因素之一。然而，压电陶瓷电致应变常因畴壁运动的非本征贡献而存在较大滞后效应，从而限制了其应用。为了降低宏畴的滞后效应，一个有效的方法是通过合理的组分设计来破坏铁电体内长程铁电有序的状态，使宏畴态正常铁电体向以纳米畴或极性纳米微区（PNRs）为主的弛豫铁电体转变。由此，深入了解压电陶瓷畴结构及其在电场作用下的动态响应与其电致应变行为之间的本质关联，对于大电致应变陶瓷材料的研发具有重要意义。
最近，中国科学院上海硅酸盐研究所李国荣研究员团队以0.73Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.27PbTiO3弛豫铁电陶瓷为研究对象，通过采用局域无序度较高的Bi(Zn1/2Ti1/2)O3作为第三组元来调控陶瓷体系的相结构和畴结构，可同时提高弛豫铁电体系的电致应变和显著降低应变滞后的临界状态。研究发现，通过调控BZT含量，使得PMN-PT-BZT体系陶瓷在室温下具有以纳米畴为主的遍历性弛豫态的特性，并且存在类准同型相界(MPB)的结构特征 — 即在宏观上表现为赝立方相结构，但在微观上却同时存在两种不同的局域结构对称性，这种类MPB结构有利于极化反转，能够促进电场作用下陶瓷由遍历性弛豫态向铁电态的转变，从而使得陶瓷的电致应变能够明显提高。此外，在撤去外电场的过程中，电场诱导的铁电态又能自发地回到初始遍历性弛豫态，从而具有较小的应变滞后。该工作获得的综合性能最优组分体系，在50kV/cm电场强度下，其应变能达到0.24%，应变滞后为15.4%，并且在106次疲劳测试后应变量基本保持不变。该研究成果以“Critical state to achieve a giant electric field-induced strain with a low hysteresis in relaxor piezoelectric ceramics” 为题发表在Journal of Materiomics上。
室温下PMN-PT-BZT陶瓷的电致应变特性
不同组分陶瓷的畴结构及其在电场下的反转特性
PMN-PT-BZT陶瓷体系的电致应变和应变滞后随组分和温度的变化关系
该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金及上海市自然科学基金等项目的支持。博士生夏翔为论文第一作者，李国荣研究员为论文通讯作者。
参考来源：中国科学院上海硅酸盐研究所
（中国粉体网编辑整理/山川）
注：图片非商业用途，存在侵权告知删除
