1.课题来源、选题依据和背景情况、课题研究目的或工程应用价值

美国物理学家Kittle C在1951年从根据宏观唯象理论提出了反铁电性的概念，并预言反铁电体的存在及其所具备的一些基本特征^[1]。作为铁电材料的一类分支，反铁电体因其相邻的偶极矩反平行排列，宏观并不表现出自发极化。但在外电场作用下会发生反铁电（AFE）shy;-铁电（FE）相变，出现特征的双电滞回线，如图1所示。对相变后的铁电体，通过加热或加压等方式可使其回复为反铁电体，该过程伴随着极大的应力变化和高密度电荷瞬间释放的现象，因而反铁电体成为应用于高密度储能电容器的优秀候选材料。图2为反铁电材料与铁电材料储能过程。当施加在铁电电容器的电场撤掉时，由于铁电体较大的剩余极化，大部分充电输入的能量W_F被储存在材料中，只有很小一部分W_#8217;F被释放；而对于反铁电电容器，当电场降为零，极化也降至零，材料不储存多余能量，除去很小一部分W_AF因极化转向发热的损耗外，输入能量的大部分W_#8217;AF以电能释放。反铁电体在足够电场作用下转变为铁电体，这便是一个储能的过程；当电场强度逐步减小到零，铁电相变为反铁电相，这就是一个释能过程[2]。

图1 PbZrO₃双电滞回线 图2 铁电体和反铁电体的储能过程

由于反铁电相变储能材料具有储能密度高、储能放能近似等温、过程易控制等特点，能够解决能量供求在时间和空间上分配不平衡的矛盾，是提高能源利用率的有效手段，也是储存可再生能源的有效方式之一。它在航空航天、太阳能利用、工业余热回收、采暖空调及家用电器等领域有着广泛的应用。同时，通过控制电场的大小，电场诱导相变还提供了可开关、可调的介电、压电和释热电性能，并具有可逆的增强效应。目前实际应用的反铁电材料主要是改性的PbZrO₃基材料。对PbZrO₃进行改性掺杂，会使它的反铁电shy;-铁电相变点降低，甚至可以降到室温以下；或者一个极化电场，使它变成亚稳的铁电相。

利用反铁电材料的极化强度-电场的双电滞回线特性，可以制作一种新型的压电调节器件。把这种器件与电路中的负载并联，可以使负载两端电压稳定在一个相当狭窄的范围之内。这种器件适于在高压下使用，尺寸小，重量轻，不需附加别的装置，能用于交流、直流和脉冲功率源。

而Pb(Zr,Sn,Ti)O₃是一种多组元、多结构的反铁电化合物，在电场、温度、压力等外界作用可以诱其发生同素异构转变，相变中体积、极化状态和介电性质等发生改变。材料组成、结构、性质的多样性丰富了这类材料的研究内容。对于这样一个复杂的反铁电铁电体系，有关材料化学组成、微观组织结构、场致相变性能之间的关系有待于细致地认识，尤其关于电、力、热等外界条件对材料性能的影响有待于系统的掌握。

图3展示了铌改性的PZT陶瓷在不同相（Zr/Ti比例），在菱方相发现Pr从0.4C/m²逐渐减少，通过MPB0.28C/m²，最后为0.2 C/m²的正方相。这个趋势与杰夫等人报导的纯PZT陶瓷的一致。有趣的是，最高的Pr值在56%molZr的PZT组分中获得。

图3 铌改性的PZT陶瓷在不同相（Zr/Ti比例）

研究的主要目的是能够建立PNZST的微观结构和樊铁电性能的联系，从而优化反铁电储能。主要的方向是减少Ec和Pr，并增大Pmax。并观察具有优良储能性能的微畴形貌。

2．国内外研究现状、发展动态

2.1反铁电研究历史