DOI: https://doi.org/10.26599/jac.2026.9221260
تاريخ النشر: 2026-02-08
المؤلف: Wenzhi Ning وآخرون
الموضوع الرئيسي: المواد العازلة والمحركات
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة تطوير سيراميك عازلة عالية الانتروبيا خالية من الرصاص ذات هيكل برونز التنجستن، وتحديدًا التركيبة \( \text{Ba}_{2.38} \text{Sr}_{2.12} \text{Sm}_{0.5} \text{Gd}_{0.5} \text{Ti}_{1} \text{Zr}_{1} \text{Nb}_{8-x} \text{Ta}_{x} \text{O}_{30} \) (حيث \( x = 0, 0.5, 1, 1.5 \)). من خلال استخدام استراتيجية تآزرية تجمع بين تصميم الانتروبيا العالية وهندسة فجوة الطاقة، حقق الباحثون تحسينات ملحوظة في قدرات تخزين الطاقة للسيراميك. أدى تعطيل النظام الفيروكهربائي بعيد المدى من خلال تصميم الانتروبيا العالية إلى زيادة الاضطراب الكاتيوني، مما يعزز سلوك الفيروكهرباء المريح، بينما أدى تحسين الحبوب وزيادة فجوة الطاقة إلى تحسين قوة الانهيار.
أظهرت التركيبة المثلى، \( \text{Ba}_{2.38} \text{Sr}_{2.12} \text{Sm}_{0.5} \text{Gd}_{0.5} \text{Ti}_{1} \text{Zr}_{1} \text{Nb}_{7.5} \text{Ta}_{0.5} \text{O}_{30} \)، كثافة طاقة قابلة للاسترداد قدرها \( 7.93 \, \text{J cm}^{-3} \) عند \( 830 \, \text{kV cm}^{-1} \) بكفاءة قدرها \( 94.25\% \). بالإضافة إلى ذلك، تحت ظروف التحميل الزائد، حققت كثافة طاقة تفريغ قدرها \( 5.20 \, \text{J cm}^{-3} \) مع زمن تفريغ فائق السرعة قدره \( 1.56 \, \mu s \). كما أظهرت السيراميك كثافة تيار عالية (\( 971.34 \, \text{A cm}^{-2} \)) وكثافة طاقة (\( 155.41 \, \text{MW cm}^{-3} \))، بالإضافة إلى استقرار حراري ممتاز عبر نطاق درجات حرارة من \( 30-180 \, °C \). تؤكد هذه النتائج على إمكانيات هذه المواد لتطبيقات الطاقة النبضية المتقدمة.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الأهمية المتزايدة لتقنيات تخزين الطاقة استجابةً للتلوث البيئي ونقص الطاقة. تُعرف السيراميك العازلة، وخاصة تلك التي تحتوي على هيكل برونز التنجستن الرباعي (TTB)، بمعدلات تفريغ سريعة وكثافة طاقة عالية، لكنها تواجه تحديات مثل انخفاض كثافة الطاقة القابلة للاسترداد وكفاءة الطاقة. يسمح هيكل TTB، الذي يتميز بإطاره المفتوح ومواقع الكاتيون المتعددة، بتعديل كبير في الخصائص من خلال استراتيجيات مثل تصميم الانتروبيا العالية وتطعيم المواقع. أظهرت التقدمات الأخيرة أن مواد TTB يمكن أن تحقق أداء تخزين الطاقة مقارنةً بمواد البيروفسكايت التقليدية.
تتركز الدراسة بشكل خاص على مادة TTB النموذجية Sr$_{x}$Ba$_{1-x}$Nb$_{2}$O$_{6}$ (SBN)، التي تظهر سلوكًا مريحًا بسبب عدم تطابق أحجام الكاتيونات. تؤكد الأبحاث على إمكانية التطعيم بأيونات الأرض النادرة لتعزيز الخصائص الفيروكهربائية واستخدام تصميم الانتروبيا العالية لإنشاء وحدات قطبية غير مرتبة، مما يحسن أداء تخزين الطاقة من خلال تقليل الحواجز الطاقية لتبديل المجالات وتعزيز مجالات الانهيار الكهربائية. تقدم الورقة نتائج حول السيراميك ذات الهيكل TTB، وخاصة Ba$_{2.38}$Sr$_{2.12}$Sm$_{0.5}$Gd$_{0.5}$Ti$_{1}$Zr$_{1}$Nb$_{8-x}$Ta$_{x}$O$_{30}$، مما يظهر تحسينات ملحوظة في كثافة الطاقة القابلة للاسترداد والكفاءة من خلال دمج استراتيجيات الانتروبيا العالية وهندسة فجوة الطاقة.
طرق
في هذه الدراسة، تم تصنيع سيراميك Ba\(_{2.38}\)Sr\(_{2.12}\)Sm\(_{0.5}\)Gd\(_{0.5}\)Ti\(_{1}\)Zr\(_{1}\)Nb\(_{8-x}\)Ta\(_{x}\)O\(_{30}\) باستخدام خليط ستوكيومتري دقيق من أكاسيد وكربونات مختلفة، تلاها سلسلة من خطوات المعالجة بما في ذلك الطحن الكروي، التجفيف، التكليس، والتلبيد. تم تحليل السيراميك من حيث تركيب الطور باستخدام حيود الأشعة السينية (XRD) مع تحسين ريتفيلد، بينما تم تحليل مورفولوجيا السطح وحجم الحبوب باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) وبرنامج Nano Measurer، على التوالي.
تم تقييم الخصائص الكهربائية من خلال سلسلة من القياسات، بما في ذلك الثابت العازل (εᵣ) وزاوية الفقد (tanδ) عبر نطاق درجات حرارة من -150 إلى 200 °C ونطاق تردد من 1 kHz إلى 1 MHz. تم تقييم الخصائص الفيروكهربائية باستخدام حلقات الاستقطاب الكهربائي (P-E) أحادية القطب عند درجات حرارة متغيرة، وتم اختبار أداء الشحن والتفريغ تحت ظروف التحميل الزائد والتحميل الناقص. تم استخدام تقنيات إضافية مثل مطيافية الأشعة فوق البنفسجية-المرئية (UV-Vis)، حيود الإلكترونات في المنطقة المختارة (SAED)، مجهر الإلكترون الناقل عالي الدقة (HRTEM)، ومجهر القوة الاستجابة (PFM) للتحقيق بشكل أكبر في الاستجابات البصرية والديناميكية لعينات السيراميك.
نتائج
تكشف نتائج الدراسة حول سيراميك Ta$_x$ عن دمج ناجح لمجموعة متنوعة من الكاتيونات في هيكل TTB النقي، كما تم تأكيده من خلال أنماط حيود الأشعة السينية (XRD). تشير التحولات الملحوظة في انعكاسات براج إلى انكماش الشبكة مع زيادة تركيز التنتالوم، والذي يرتبط بخصائص مريحة محسنة بسبب تشوه [BO$_6$] الأوكتاهيدرون. تدعم تحليل ريتفيلد سلامة الهيكل للنماذج، مع عوامل الملف الشخصي (R$_p$ و R$_{wp}$) أقل من 10%. توضح مطيافية رامان المزيد من التغيرات الهيكلية، حيث تظهر نطاقات واسعة تشير إلى زيادة العشوائية التركيبية وتقليل استقطاب وحدة الخلية، وهو أمر حاسم للسلوك المريح.
تشير التحليلات الميكروهيكلية عبر المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) إلى أن تطعيم التنتالوم يؤثر على حجم الحبوب، حيث يقلل منه في البداية قبل أن يحدث زيادة طفيفة، بينما يؤدي تعزيز الانتروبيا التكوينية إلى تشوه الشبكة وتحسين الخصائص العازلة. تم قياس قوة الانهيار العازلة لسيراميك Ta$_{0.5}$ عند 830 kV·cm$^{-1}$، مع كثافة طاقة قابلة للاسترداد قدرها 7.93 J·cm$^{-3}$ وكفاءة قدرها 94.25%. تسلط الدراسة الضوء أيضًا على العلاقة بين اتساع فجوة الطاقة والأداء العازل، حيث تظهر سيراميك Ta$_x$ زيادة تدريجية في فجوة الطاقة من 3.09 eV إلى 3.20 eV، مما يساهم في قدراتها الممتازة في تخزين الطاقة. تشير النتائج إلى أن سيراميك Ta$_x$ هي مرشحة واعدة لتطبيقات تخزين الطاقة المتقدمة، حيث تظهر استقرارًا حراريًا ممتازًا وخصائص تفريغ سريعة.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تصنيع السيراميك ذات التركيبة \( \text{Ba}_{2.38} \text{Sr}_{2.12} \text{Sm}_{0.5} \text{Gd}_{0.5} \text{Ti}_{1} \text{Zr}_{1} \text{Nb}_{8-x} \text{Ta}_{x} \text{O}_{30} \) (حيث \( x = 0, 0.5, 1, \) و \( 1.5 \)) عبر طريقة التفاعل في الحالة الصلبة. أدى دمج مبادئ تصميم الانتروبيا العالية مع هندسة فجوة الطاقة إلى تحسين كبير في أداء السيراميك الناتجة. أدى تعطيل النظام الفيروكهربائي بعيد المدى إلى قمع نمو الحبوب وزيادة المقاومة، مما أدى إلى توسيع فجوة الطاقة التي حسنت من قوة مجال الانهيار.
أظهرت السيراميك، وخاصة \( \text{Ba}_{2.38} \text{Sr}_{2.12} \text{Sm}_{0.5} \text{Gd}_{0.5} \text{Ti}_{1} \text{Zr}_{1} \text{Nb}_{7.5} \text{Ta}_{0.5} \text{O}_{30} \)، قدرات استثنائية في تخزين الطاقة، حيث حققت كثافة طاقة قابلة للاسترداد قدرها \( 7.93 \, \text{J cm}^{-3} \) عند \( 830 \, \text{kV cm}^{-1} \) بكفاءة قدرها \( 94.25\% \). تحت ظروف التحميل الزائد عند \( 440 \, \text{kV cm}^{-1} \)، تم تسجيل كثافة طاقة تفريغ قدرها \( 5.20 \, \text{J cm}^{-3} \) مع زمن تفريغ فائق السرعة قدره \( 1.56 \, \mu s \). بالإضافة إلى ذلك، تحت ظروف التحميل الناقص عند \( 320 \, \text{kV cm}^{-1} \)، حققت السيراميك كثافة تيار عالية قدرها \( 971.34 \, \text{A cm}^{-2} \) وكثافة طاقة قدرها \( 155.41 \, \text{MW cm}^{-3} \). كما أظهرت المواد استقرارًا حراريًا ممتازًا، حيث تراوحت طاقة التفريغ بأقل من \( 10\% \) عبر نطاق درجات حرارة من \( 30-180 \, °C \)، مما يبرز إمكانياتها لتطبيقات في أجهزة الطاقة النبضية.
DOI: https://doi.org/10.26599/jac.2026.9221260
Publication Date: 2026-02-08
Author(s): Wenzhi Ning et al.
Primary Topic: Dielectric materials and actuators
Overview
This study investigates the development of lead-free high-entropy dielectric ceramics with a tungsten bronze structure, specifically the composition \( \text{Ba}_{2.38} \text{Sr}_{2.12} \text{Sm}_{0.5} \text{Gd}_{0.5} \text{Ti}_{1} \text{Zr}_{1} \text{Nb}_{8-x} \text{Ta}_{x} \text{O}_{30} \) (where \( x = 0, 0.5, 1, 1.5 \)). By employing a synergistic strategy that integrates high-entropy design and bandgap engineering, the researchers achieved significant enhancements in the ceramics’ energy storage capabilities. The disruption of long-range ferroelectric order through high-entropy design increased cationic disorder, promoting relaxor ferroelectric behavior, while grain refinement and an enlarged bandgap improved breakdown strength.
The optimal composition, \( \text{Ba}_{2.38} \text{Sr}_{2.12} \text{Sm}_{0.5} \text{Gd}_{0.5} \text{Ti}_{1} \text{Zr}_{1} \text{Nb}_{7.5} \text{Ta}_{0.5} \text{O}_{30} \), demonstrated a recoverable energy density of \( 7.93 \, \text{J cm}^{-3} \) at \( 830 \, \text{kV cm}^{-1} \) with an efficiency of \( 94.25\% \). Additionally, under overdamped conditions, it achieved a discharge energy density of \( 5.20 \, \text{J cm}^{-3} \) with an ultrafast discharge time of \( 1.56 \, \mu s \). The ceramics also exhibited high current density (\( 971.34 \, \text{A cm}^{-2} \)) and power density (\( 155.41 \, \text{MW cm}^{-3} \)), along with excellent thermal stability across a temperature range of \( 30-180 \, °C \). These findings underscore the potential of these materials for advanced pulsed power applications.
Introduction
The introduction highlights the growing importance of energy storage technologies in response to environmental pollution and energy shortages. Dielectric ceramics, particularly those with a tetragonal tungsten bronze (TTB) structure, are noted for their rapid discharge rates and high power density, yet face challenges such as low recoverable energy density and energy efficiency. The TTB structure, characterized by its open framework and multiple cation sites, allows for significant property tunability through strategies like high-entropy design and site doping. Recent advancements have shown that TTB materials can achieve energy storage performance comparable to traditional perovskite materials.
Specifically, the study focuses on the prototypical TTB material Sr$_{x}$Ba$_{1-x}$Nb$_{2}$O$_{6}$ (SBN), which exhibits relaxor behavior due to cation size mismatches. The research emphasizes the potential of doping with rare-earth ions to enhance ferroelectric properties and the use of high-entropy design to create disordered polarization functional units, which improve energy storage performance by reducing energy barriers for domain switching and enhancing breakdown electric fields. The paper presents findings on TTB-structured ceramics, particularly Ba$_{2.38}$Sr$_{2.12}$Sm$_{0.5}$Gd$_{0.5}$Ti$_{1}$Zr$_{1}$Nb$_{8-x}$Ta$_{x}$O$_{30}$, demonstrating significant improvements in recoverable energy density and efficiency through the integration of high-entropy strategies and bandgap engineering.
Methods
In this study, the Ba\(_{2.38}\)Sr\(_{2.12}\)Sm\(_{0.5}\)Gd\(_{0.5}\)Ti\(_{1}\)Zr\(_{1}\)Nb\(_{8-x}\)Ta\(_{x}\)O\(_{30}\) ceramics were synthesized using a precise stoichiometric mixture of various oxides and carbonates, followed by a series of processing steps including ball milling, drying, calcination, and sintering. The ceramics were characterized for phase composition using X-ray diffraction (XRD) with Rietveld refinement, while their surface morphology and grain size were analyzed via scanning electron microscopy (SEM) and Nano Measurer software, respectively.
Electrical properties were assessed through a series of measurements, including dielectric constant (εᵣ) and loss tangent (tanδ) across a temperature range of -150 to 200 °C and frequency range of 1 kHz to 1 MHz. Ferroelectric properties were evaluated using unipolar polarization-electric field (P-E) loops at varying temperatures, and charge-discharge performance was tested under both overdamped and underdamped conditions. Additional techniques such as ultraviolet-visible (UV-Vis) spectroscopy, selected-area electron diffraction (SAED), high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM), and piezoresponse force microscopy (PFM) were employed to further investigate the optical and dynamic responses of the ceramic samples.
Results
The results of the study on Ta$_x$ ceramics reveal successful incorporation of various cations into a phase-pure TTB structure, confirmed by X-ray diffraction (XRD) patterns. The observed shift in Bragg reflections indicates lattice contraction with increased tantalum concentration, which correlates with enhanced relaxor characteristics due to deformation of [BO$_6$] octahedra. Rietveld analysis supports the structural integrity of the models, with profile factors (R$_p$ and R$_{wp}$) below 10%. Raman spectroscopy further elucidates structural changes, showing broad bands that signify increased compositional randomness and reduced unit cell polarization, which is critical for relaxor behavior.
Microstructural analysis via scanning electron microscopy (SEM) indicates that Ta doping influences grain size, initially decreasing it before a slight increase, while enhancing configurational entropy leads to lattice distortion and improved dielectric properties. The dielectric breakdown strength of Ta$_{0.5}$ ceramics was measured at 830 kV·cm$^{-1}$, with a recoverable energy density of 7.93 J·cm$^{-3}$ and an efficiency of 94.25%. The study also highlights the relationship between bandgap widening and dielectric performance, with Ta$_x$ ceramics exhibiting a progressive increase in bandgap from 3.09 eV to 3.20 eV, which contributes to their superior energy storage capabilities. The findings suggest that Ta$_x$ ceramics are promising candidates for advanced energy storage applications, demonstrating excellent thermal stability and rapid discharge characteristics.
Discussion
In this study, ceramics with the composition \( \text{Ba}_{2.38} \text{Sr}_{2.12} \text{Sm}_{0.5} \text{Gd}_{0.5} \text{Ti}_{1} \text{Zr}_{1} \text{Nb}_{8-x} \text{Ta}_{x} \text{O}_{30} \) (where \( x = 0, 0.5, 1, \) and \( 1.5 \)) were synthesized via the solid-state reaction method. The integration of high-entropy design principles with bandgap engineering significantly enhanced the performance of the resulting ceramics. The disruption of long-range ferroelectric order effectively suppressed grain growth and increased resistivity, leading to a widened bandgap that improved breakdown field strength.
The ceramics, particularly \( \text{Ba}_{2.38} \text{Sr}_{2.12} \text{Sm}_{0.5} \text{Gd}_{0.5} \text{Ti}_{1} \text{Zr}_{1} \text{Nb}_{7.5} \text{Ta}_{0.5} \text{O}_{30} \), demonstrated exceptional energy storage capabilities, achieving a recoverable energy density of \( 7.93 \, \text{J cm}^{-3} \) at \( 830 \, \text{kV cm}^{-1} \) with an efficiency of \( 94.25\% \). Under overdamped conditions at \( 440 \, \text{kV cm}^{-1} \), a discharge energy density of \( 5.20 \, \text{J cm}^{-3} \) was recorded with an ultrafast discharge time of \( 1.56 \, \mu s \). Additionally, under underdamped conditions at \( 320 \, \text{kV cm}^{-1} \), the ceramics achieved a high current density of \( 971.34 \, \text{A cm}^{-2} \) and a power density of \( 155.41 \, \text{MW cm}^{-3} \). The materials also exhibited excellent thermal stability, with discharge energy varying by less than \( 10\% \) across a temperature range of \( 30-180 \, °C \), highlighting their potential for applications in pulse power devices.