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研究背景

电介质陶瓷电容器是现代高功率电子系统中的关键元件，也是新能源汽车动力系统发展的重要方向。其性能指标包括可恢复能量密度（Wrec）、能量存储效率（η）、耐击穿强度（Eb）以及充放电速率等。近年来，国内外学者在高性能电介质陶瓷体系的开发方面取得了显著进展，主要的优化策略包括界面工程、电畴工程和高熵工程。这些方法为高性能陶瓷材料的研究提供了理论支持，然而，依赖传统的实验手段仍需要耗费大量的时间和人力，且难以高效系统地探索材料成分与微观结构之间的复杂关联。随着陶瓷化学组成和工艺参数空间的指数级扩展，如何快速而精准地设计出高性能的电介质材料，已成为电介质材料科学面临的主要挑战。

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论文摘要（工作一）

陕西科技大学联合陕西师范大学、西安电子科技大学、西安交通大学、海南大学、深圳北理莫斯科大学、广东以色列理工学院与德国乌兹堡大学等多家单位，利用机器学习辅助筛选策略进行陶瓷类电介质电容器的优化制备。工作一侧重于机器学习驱动的高性能、耐疲劳 BCZT基陶瓷设计，旨在解决Wrec、η和Eb之间的协同优化以及长期循环疲劳问题。研究团队通过构建包含95条陶瓷实验与计算数据的数据库，利用灰色关联分析提取关键特征，再结合广义可加模型（GAM）、SHAP和ALE分析，量化A位二价/三价阳离子化学环境、B位离子极化效应及多相界面交互对性能退化的影响，揭示A位化学主导疲劳行为。模型预测并实验验证了0.9BCZT-0.1SBT 的最优组合，其Wrec高达9.94 J/cm3同时η=92.1%，更重要的是这一优异储能特性在电容器进行在长达109次循环后几乎无退化。高性能来源于钨青铜结构（TBs）/常规钙钛矿结构（CPs）/超钙钛矿结构（UPs）异质界面的三相协同：其中UPs层均匀化局部极化并抑制载流子注入；TBs降低氧空位形成和迁移；CPs结构界面则进一步补偿氧空位可能带来的击穿损失，最终实现无疲劳、高储能、超快放电能力的无铅电介质电容器。该研究首次系统揭示了元素化学、微结构与多相界面对疲劳和能量存储性能的原子级调控机制，为机器学习指导电子陶瓷设计提供可推广策略。相关研究成果以“Machine-Learning-Designed BCZT-SBT Heterointerface Unlocks Fatigue-Resistant Energy Storage”为题发表在Advanced Materials 期刊上，全文链接：。

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主要研究内容（工作一）

图1（a）钙钛矿–钨青铜复合结构实现陶瓷性能增强的示意图。（b） 机器学习工作流程的示意图。（c1） 模型训练集的均方根误差（RMSE）。（c2） 模型的判定系数（R²）。（c3） 模型中各特征的 Shapley 值贡献分析

图2（a1）0.90BCZT-0.10SBT沿（100）晶轴的 HAADF-STEM 图像。（a2）CPs；（a3）TBs。（b）（a3）的 选区电子衍射。（c）由（a2）使用 Gwyddion 进行快速傅里叶变换（FFT）得到的图像。（d）UPs与TBs之间的过渡界面。（e1）第二相区域，（e2）–（e9）对应的 EDS 元素分布图。（f）钙钛矿–钨青铜复合结构的示意图

图3（a）不同电场下(1−x)BCZT-xSBT（x = 0-0.20）的理论计算 Wrec和 η 值。（b）随循环次数增加，0.90BCZT-0.10SBT 的 Pmax、Pr、Wrec和 η 的变化趋势。（c）在 25oC、600 kV/cm 电场下，0.90BCZT-0.10SBT 在不同循环次数下的单极 P-E 回线。（d）极化随循环次数和电场变化的映射图。（e）本工作中 0.90BCZT-0.10SBT 的 Wrec和 η 与典型陶瓷的比较。（f）本工作中 0.90BCZT-0.10SBT 的循环次数与循环稳定率与典型陶瓷的比较

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论文摘要（工作二）

工作二围绕（1−x）BCZT-xBNZN无铅储能陶瓷的性能调控展开，利用机器学习方法对材料体系进行预测与优化。研究首先基于AdaBoost集成学习模型，对不同掺杂浓度x下陶瓷的可恢复能量密度（Wrec）进行了系统预测，构建了成分—结构—性能之间的关联图谱。模型结果揭示，当BNZN掺杂浓度超过0.10时，材料在室温下表现出超常介电（superparaelectric, SPE）行为，这种行为由纳尺度极化区域的无序涨落引起，可有效降低滞回损失并显著提高储能效率。进一步的特征重要性分析表明，含0.15 BNZN的放松铁电复合材料在能量密度与效率之间实现了最优平衡，是该体系中最具潜力的储能成分。在机器学习结果的指导下，研究进一步采用粘性聚合物处理（viscous polymer processing, VPP）工艺进行微结构调控。VPP不仅有效抑制烧结过程中的晶粒异常长大，还促使陶瓷颗粒内部形成前所未有的核壳结构，显著增强界面阻抗并优化局域电场分布，从而实现创纪录的储能性能：能量密度提升至11.6 J/cm3，能量效率达到92%，同时获得700 kV/cm的超高击穿场强。更重要的是，该材料在极端条件下仍保持卓越稳定性，在150℃下以34 ns的超快速率放电时，其能量密度仍可达≈3.2 J/cm3，展现出优异的温度稳定性、频率稳定性与长循环疲劳可靠性。研究结果表明，通过机器学习预测和微结构工程协同设计可有效构筑新型高性能无铅介电储能材料，为未来在高温、高功率及极端环境中的电容应用提供重要材料基础。该成果以“Machine Learning-Driven Ultra-High Energy Storage Performance in Ferro-Superparaelectric Capacitors”为题发表在Advanced Functional Materials 期刊上，全文链接：。

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05主要研究内容（工作二）

图4（a）示意展示典型弛豫铁电体（RFE）在不同频率下的介电响应随温度的变化关系，并并列显示传统铁电体（FE）、弛豫铁电体（RFE）以及超顺电弛豫铁电体（SPE-RFE）状态下的极化特征响应。（b）粘性聚合物处理工艺（VPP）的示意流程图。（c）ABO3 钙钛矿结构示意图，整合了用于机器学习建模的元素表示方式及部分典型特征参数。（d）选取的 50 个特征之间的皮尔逊相关矩阵图，用于反映特征间的线性相关性。（e）基于机器学习的能量密度预测流程，包括对未知成分的筛选以及跨越区域（crossover region）内候选配方的提取策略。（f）多种机器学习算法的模型选择过程，展示训练集与测试集的交叉验证误差，以确定最优预测模型。（g）基于相场模拟得到的 BCZT-0.15 三维畴结构分布图。（h）相场模型模拟得到的（1-x）BCZT-xBNZN 陶瓷二维矢量畴轮廓图、具有对称性特征的相分布图，以及归一化的 P–E 回线，用于揭示成分变化对电学特性的影响

图5（a）BCZT-0.15-vpp 陶瓷的透射电子显微镜（TEM）微观结构图。（b）BCZT-0.15 和 BCZT-0.15-vpp 陶瓷中电树突的演变过程。（c）在 350 kV/cm 电场下，BCZT-0.15-vpp 陶瓷的最大电流（Imax）、电击穿（PD）和电容密度（CD）随温度变化的关系。（d1）显示极化随频率和电场变化的三维映射图。（d2）极化恢复能量密度（Wrec）与能量存储效率（η）随频率变化的关系图。（e1）极化随温度和电场变化的三维映射图。（e2）极化恢复能量密度（Wrec）和能量存储效率（η）随温度变化的趋势，并与其他研究结果进行比较。（f1）极化随循环次数和电场变化的映射图。（f2）极化恢复能量密度（Wrec）与能量存储效率（η）随循环次数的变化关系

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团队介绍

孙梓雄，陕西科技大学副教授、陕西省青年科技新星、陕西省高校优秀青年人才、咸阳市科技创新人才。2019年毕业于西安交通大学，获电子科学与技术专业博士学位；2021-2024年在荷兰特温特大学（University of Twente）从事博士后研究员工作，研究方向为电子信息功能材料与器件及其智能化。主持国家自然科学基金面上项目1项、国家自然科学基金青年科学基金项目1项、博士后面上项目一项、陕西省博士后科助项目1项、国家重点实验室开放基金1项、省部级重点实验室开放基金7项。以第一/通讯作者在Advanced Materials, Advanced Functional Materials 等顶尖学术期刊发表论文共66篇，h因子为24。授权专利7项，主持企业横向项目1项。

井红梅，工学博士，高级实验师。2007年9月至2018年3月就读于西安交通大学电子科学与技术专业，2011年7月获工学学士学位，2018年3月获工学博士学位，读博期间去德国于利希研究中心交流学习先进的电镜表征技术。2018年至2019年在山东省科学院做助理研究员，2019年7月入职陕西师范大学物理学与信息技术学院。主要从事钙钛矿功能材料亚埃尺度结构的研究。发表学术论文30余篇，其中以第一/通讯作者身份在Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Adv. Sci., J. Mater. Chem. A, Mater. Horiz., ACS Appl. Mater. Inter., Appl. Phys. Lett., J. Alloy. Compd., J. Mater. Chem. C 等期刊发表多篇学术论文。

杨鸿宇，硕士生导师，讲师，秦创原引用高层次创新创业人才。博士毕业于电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室，近年来针对信息技术高速发展中新型先进电子元器件及其模块具有高频化、小型化、集成化以及多功能化的特征，开展微波介质陶瓷与器件、LTCC材料与集成技术、人工智能技术驱动的材料设计等方面研究。近年来以第一作者或通讯作者在Advanced Materials, Journal of Advanced Ceramics, Journal of Materials Science & Technology 与Journal of the European Ceramic Society 等期刊发表SCI学术论文20余篇；以第一发明人授权国家发明专利2项。主持陕西省重点研发计划、陕西省自然科学基础研究计划、陕西省秦创原人才项目以及重点实验室开放课题等纵向科研项目4项。

田野，陕西科技大学副教授，硕士研究生导师。博士毕业于西安交通大学电子科学与工程学院。2014年9月获国家建设高水平大学公派研究生项目资助赴英国伦敦大学玛丽女王大学（Queen Mary University of London）访学交流。2016至2017年，赴澳大利亚国立大学访学交流。2017-2019年，在西安交通大学电子陶瓷与器件教育部重点实验室与国际电介质研究中心(EMRL&ICDR)从事博士后研究一直从事无机非金属光电信息功能材料的制备、结构与性能表征以及结构与性能关联性的基础应用研究。研究对象包括铁电、反铁电、介电、压电等电介质功能陶瓷材料。以第一或通讯作者与共同作者身份发表论文30多篇，引用900多次(谷歌学术)。研究成果已经发表到国际著名SCI期刊上如：J. Mater. Chem. A, J. Mater. Chem. C, Appl. Phys. Lett 等。H-因子14目前主持中国博士后项目一项、陕西科技大学博士科研启动基金1项，参与国家自然自然科学基金一项。

祁核，海南大学材料科学与工程学院的教授、博士生导师，主要研究铁电材料与器件、介电储能电容器等领域。2017年博士毕业于合肥工业大学，2018年至2023年先后在中南大学和北京科技大学进行博士后研究，并于2024年10月正式加入海南大学。主持了多项国家级科研项目，包括国家重点研发计划青年科学家项目、国家自然科学基金面上项目和青年基金项目，近五年以一作或通讯作者身份在Advanced Materials, Nature Communications 等顶级期刊发表SCI论文四十余篇，总影响因子超过850，并连续三年（2022-2024）入选“全球前2%顶尖科学家”榜单。

谭启 (Daniel Tan)，广州以色列理工学院教授。1998年获得伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校材料科学与工程博士学位，1989年获得中国科学院固体物理研究所博士学位，师从葛庭燧院士，曾任教于中国科学技术大学。致力于解决能源需求的下一代功能性材料，特别是纳米复合材料的合成，从纳米到中等结构尺度的精心调控，使其出现超介电性能（电容和电阻）、先进的机电性能（压电）和热电性能。获得1993年中国科学院自然科学奖一等奖、2008年通用电气全球研究中心创新奖、2022年广东以色列理工学院最佳教学奖、2023年中国创新创业成果交易会最具投资价值科技成果奖等奖项。同时担任MRS, ACERS, SPIE, iMAPS and IEEE等学术机构的核心成员及多家期刊的评审人。

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文章信息

来源：JAD电介质学术交流

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