中國粉體網(wǎng)訊  據(jù)上海硅酸鹽研究所官網(wǎng)消息，近期其在機(jī)器學(xué)習(xí)輔助微波介質(zhì)陶瓷及鐵電陶瓷電致應(yīng)變行為領(lǐng)域取得了進(jìn)展，對(duì)各自相應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)域的材料研發(fā)有重要意義。

在機(jī)器學(xué)習(xí)輔助微波介質(zhì)陶瓷研究中取得進(jìn)展

微波介質(zhì)陶瓷（MWDC）是應(yīng)用于微波頻段電路中作為介質(zhì)材料（主要是UHF、SHF頻段，300MHz~300GHz頻段波長介于0.1mm-1m的電磁波）并完成一種或多種功能的新型陶瓷材料。適于制作現(xiàn)代各種微波器件，如電子對(duì)抗、導(dǎo)航、通訊、雷達(dá)、家用衛(wèi)星直播電視接收機(jī)和移動(dòng)電話等設(shè)備中的穩(wěn)頻振蕩器、濾波器和鑒頻器，能滿足微波電路小型化、集成化、高可靠性和低成本的要求。微波介質(zhì)陶瓷作為微波集成電路基板、介質(zhì)諧振器、介質(zhì)天線等通信電子元器件的關(guān)鍵材料，近年來隨著5G技術(shù)的蓬勃發(fā)展，受到越來越廣泛的關(guān)注。

另一方面，材料信息學(xué)借助機(jī)器學(xué)習(xí)等方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模分析，挖掘物理量之間的隱含關(guān)聯(lián)，構(gòu)建定量“構(gòu)效關(guān)系”，從而加速新材料研發(fā)，目前已在一些材料研究領(lǐng)域得到運(yùn)用并證實(shí)了其可靠性。然而，學(xué)界針對(duì)微波介質(zhì)陶瓷材料的性能預(yù)測(cè)與理性設(shè)計(jì)的機(jī)器學(xué)習(xí)模型研究的報(bào)道較少。

近期，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所無源集成器件與材料研究團(tuán)隊(duì)采用機(jī)器學(xué)習(xí)方法，研究微波介質(zhì)陶瓷的材料特征與介電性能之間的關(guān)系，提出了一種普適性強(qiáng)、準(zhǔn)確性高的介電常數(shù)預(yù)測(cè)模型，并以此為依據(jù)預(yù)測(cè)了新的低介電常數(shù)微波介質(zhì)材料。最優(yōu)預(yù)測(cè)模型經(jīng)過數(shù)據(jù)清洗、兩步降維、模型超參數(shù)優(yōu)化、特征量組合尋優(yōu)和多算法對(duì)比等步驟獲得。研究表明，除了降低單位體積離子極化率（ppv）之外，降低平均鍵長（blm）和提高每個(gè)原子所占的晶胞體積（va）都可有效降低材料介電常數(shù)。利用機(jī)器學(xué)習(xí)模型，從3300余種未報(bào)道介電常數(shù)的無機(jī)材料中篩選出潛在的低介電常數(shù)材料，并從中選取了若干種進(jìn)行制備和測(cè)試，驗(yàn)證了預(yù)測(cè)結(jié)果的可靠性。相關(guān)相關(guān)成果以Machine learning approaches for permittivity prediction and rational design of microwave dielectric ceramics為題，發(fā)表在Journal of Materiomics上。

基于ACSO體系的微波介質(zhì)陶瓷Q×f的模型預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在弛豫鐵電陶瓷電致應(yīng)變行為研究中取得新進(jìn)展

壓電陶瓷是一種能夠?qū)�機(jī)械能和電能互相轉(zhuǎn)換的信息功能陶瓷材料-壓電效應(yīng)，壓電陶瓷除具有壓電性外， 還具有介電性、彈性等， 已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)成像、聲傳感器、聲換能器、超聲馬達(dá)等。壓電陶瓷利用其材料在機(jī)械應(yīng)力作用下，引起內(nèi)部正負(fù)電荷中心相對(duì)位移而發(fā)生極化，導(dǎo)致材料兩端表面出現(xiàn)符號(hào)相反的束縛電荷即壓電效應(yīng)而制作，具有敏感的特性，壓電陶瓷主要用于制造超聲換能器、水聲換能器、電聲換能器、陶瓷濾波器、陶瓷變壓器、陶瓷鑒頻器、高壓發(fā)生器、紅外探測(cè)器、聲表面波器件、電光器件、引燃引爆裝置和壓電陀螺等。

在眾多應(yīng)用中，壓電致動(dòng)器具有驅(qū)動(dòng)力大、抗電磁干擾、輕量化等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是一類極具發(fā)展?jié)摿Φ奈⑽灰破骷�，壓電陶瓷材料作為壓電致�?dòng)器的重要組成單元，其電致應(yīng)變行為是決定致動(dòng)器性能的關(guān)鍵因素之一。然而，壓電陶瓷電致應(yīng)變常因疇壁運(yùn)動(dòng)的非本征貢獻(xiàn)而存在較大滯后效應(yīng)，從而限制了其應(yīng)用。為了降低宏疇的滯后效應(yīng)，一個(gè)有效的方法是通過合理的組分設(shè)計(jì)來破壞鐵電體內(nèi)長程鐵電有序的狀態(tài)，使宏疇?wèi)B(tài)正常鐵電體向以納米疇或極性納米微區(qū)（PNRs）為主的弛豫鐵電體轉(zhuǎn)變。由此，深入了解壓電陶瓷疇結(jié)構(gòu)及其在電場(chǎng)作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)與其電致應(yīng)變行為之間的本質(zhì)關(guān)聯(lián)，對(duì)于大電致應(yīng)變陶瓷材料的研發(fā)具有重要意義。

最近，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所李國榮研究員團(tuán)隊(duì)以0.73Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O_3-0.27PbTiO₃弛豫鐵電陶瓷為研究對(duì)象，通過采用局域無序度較高的Bi(Zn_1/2Ti_1/2)O₃作為第三組元來調(diào)控陶瓷體系的相結(jié)構(gòu)和疇結(jié)構(gòu)，可同時(shí)提高弛豫鐵電體系的電致應(yīng)變和顯著降低應(yīng)變滯后的臨界狀態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)控BZT含量，使得PMN-PT-BZT體系陶瓷在室溫下具有以納米疇為主的遍歷性弛豫態(tài)的特性，并且存在類準(zhǔn)同型相界(MPB)的結(jié)構(gòu)特征 — 即在宏觀上表現(xiàn)為贗立方相結(jié)構(gòu)，但在微觀上卻同時(shí)存在兩種不同的局域結(jié)構(gòu)對(duì)稱性，這種類MPB結(jié)構(gòu)有利于極化反轉(zhuǎn)，能夠促進(jìn)電場(chǎng)作用下陶瓷由遍歷性弛豫態(tài)向鐵電態(tài)的轉(zhuǎn)變，從而使得陶瓷的電致應(yīng)變能夠明顯提高。此外，在撤去外電場(chǎng)的過程中，電場(chǎng)誘導(dǎo)的鐵電態(tài)又能自發(fā)地回到初始遍歷性弛豫態(tài)，從而具有較小的應(yīng)變滯后。該工作獲得的綜合性能最優(yōu)組分體系，在50kV/cm電場(chǎng)強(qiáng)度下，其應(yīng)變能達(dá)到0.24%，應(yīng)變滯后為15.4%，并且在106次疲勞測(cè)試后應(yīng)變量基本保持不變。該研究成果以“Critical state to achieve a giant electric field-induced strain with a low hysteresis in relaxor piezoelectric ceramics” 為題發(fā)表在Journal of Materiomics上。

室溫下PMN-PT-BZT陶瓷的電致應(yīng)變特性

不同組分陶瓷的疇結(jié)構(gòu)及其在電場(chǎng)下的反轉(zhuǎn)特性

PMN-PT-BZT陶瓷體系的電致應(yīng)變和應(yīng)變滯后隨組分和溫度的變化關(guān)系

該研究工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金及上海市自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。博士生夏翔為論文第一作者，李國榮研究員為論文通訊作者。

參考來源：中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）

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