The processing, electromechanical properties, and microstructure of lead zirconate titanate (PZT) ceramics over the grain‐size range of 0.1‐10 μm were studied. Using measurements over a large temperature range (15‐600 K), the relative role of extrinsic contribution (i.e., domain‐wall motion) was deduced to be influenced strongly by the grain size, particularly for donor‐doped PZT. Analytical transmission electron microscopy studies were conducted to investigate the trend in domain configurations with the reduction of grain size. The correlations between domain density, domain variants, domain configurations (before and after poling), spontaneous deformation, and the elastodielectric properties were qualitatively discussed, leading to new insights into the intrinsic and extrinsic effects and relevant size effects in ferroelectric polycrystalline materials.

The dielectric and piezoelectric properties of the new perovskite solid solution system (1-x)BiScO3–xPbTiO3 were investigated. This system is representative of a new group of high temperature piezoelectrics that includes Bi(Me)O3–PbTiO3, where Me+3 is a relatively large cation, Sc, Y, Yb, In, etc., and combinations thereof. In the (1-x)BiScO3–xPbTiO3 series, perovskite stability was achieved for x>50 mol% PbTiO3 being ferroelectric rhombohedral and transforming to ferroelectric tetragonal in the region x=64 mol% PbTiO3, designated as the morphotropic phase boundary (MPB). Analogous to (1-x)PbZrO3–xPbTiO3 (PZT), the dielectric and piezoelectric properties were enhanced for compositions near the MPB. Piezoelectric coefficient d33 values reached 450 pC/N, comparable to soft PZT's with a transition temperature of 450°C, more than 100°C higher than commercial PZT. The combination of high TC and excellent piezoelectric activity make (1-x)BiScO3–xPbTiO3 materials candidates for high temperature, and temperature stable actuators and transducers.

A high, temperature‐stable dielectric constant (∼1000 from 0° to 300°C) coupled with a high electrical resistivity (∼10 12 Ω·cm at 250°C) make 0.7 BaTiO 3 –0.3 BiScO 3 ceramics an attractive candidate for high‐energy density capacitors operating at elevated temperatures. Single dielectric layer capacitors were prepared to confirm the feasibility of BaTiO 3 –BiScO 3 for this application. It was found that an energy density of about 6.1 J/cm 3 at a field of 73 kV/mm could be achieved at room temperature, which is superior to typical commercial X7R capacitors. Moreover, the high‐energy density values were retained to 300°C. This suggests that BaTiO 3 –BiScO 3 ceramics have some advantages compared with conventional capacitor materials for high‐temperature energy storage, and with further improvements in microstructure and composition, could provide realistic solutions for power electronic capacitors.

A study of the ferroelastic domain size variations with grain sizes in Pb(Zr,Ti)O3[PZT] ferroelectric ceramic has been conducted. Experimental results determined by a transmission electron microscopy (TEM) study on hard and soft PZT ceramics indicate that it is possible to observe a bulk metastable domain configuration in a thinned foil. The transmission electron microscopy observations demonstrate that the domain structures formed at the paraelectric-ferroelectric phase transition are strongly dependent on the elastic boundary conditions and crystallite sizes. Statistical analysis of the domain size distributions in PZT reveals that the traditional parabolic relation between grain size and domain size is only good for a limited sizerangeof 1–10 μm. For grains size > 10 μm, the exponent tends to be smaller than 12, while for grain size < 1 μm the exponent is larger than 12. We also report the analysis on poled ceramics which reveals for the first time direct evidence for transgranular domain switching mechanisms.

A century of diligent R&D has resulted in a wide range of ceramic dielectrics and processing technologies. The technology used to manufacture an MLCC (multilayer ceramic capacitors) that costs pennies was unimaginable 30 years ago. The present trends of enhanced mobility, connectivity, and reliability in consumer, industrial, and military electronics will continue to drive future innovations in ceramic capacitor technology. In addition, power electronics applications are an emerging market in which ceramic capacitors will play an increasing role through improved breakdown strength, enhanced dielectric stability in harsh environments, and innovative packaging. The investment made by the US government to develop high energy density and high temperature capacitor technology will also contribute to the advancement of dielectric materials technology for pulse and power electronic capacitors.

A giant electrocaloric effect (ECE) near room temperature is reported in a lead‐free bulk inorganic material. By tuning Ba(Zr x Ti 1–x )O 3 compositions which also exhibit relaxor ferroelectric response to near the invariant critical point, the Ba(Zr x Ti 1–x )O 3 bulk ceramics at x ∼ 0.2 exhibit a large adiabatic temperature drop of 4.5 K, a large isothermal entropy change of 8 J kg −1 K −1 , and a large EC coefficient (|ΔT c /ΔE| = 0.52 × 10 −6 KmV −1 and ΔS/ΔE = 0.93 × 10 −6 J m kg −1 K −1 V −1 ) over a 30 K temperature range. These properties added together indicate a general solution of the electrocaloric materials with high performance for practical cooling applications.

Abstract This paper describes a sintering technique for ceramics and ceramic‐based composites, using water as a transient solvent to effect densification (i.e. sintering) at temperatures between room temperature and 200 °C. To emphasize the incredible reduction in sintering temperature relative to conventional thermal sintering this new approach is named the “Cold Sintering Process” (CSP). Basically CSP uses a transient aqueous environment to effect densification by a mediated dissolution–precipitation process. CSP of NaCl, alkali molybdates and V 2 O 5 with small concentrations of water are described in detail, but the process is extended and demonstrated for a diverse range of chemistries (oxides, carbonates, bromides, fluorides, chlorides and phosphates), multiple crystal structures, and multimaterial applications. Furthermore, the properties of selected CSP samples are demonstrated to be essentially equivalent as samples made by conventional thermal sintering.

From transmission electron microscopy studies on several complex lead perovskite compounds Pb(B'B'')O 3 , and their solid solutions a classification can be obtained based on B-cation order. This classification divides the complex lead perovskites into three subgroups; random occupation or disordered, nanoscale or short coherent long-range order and long coherent long-range order of B-site cations. A correlation between the nanoscale B-site order and relaxor on glassy ferroelectric behavior is found in these lead perovskites. An hypothesis is suggested which relates 0-3 polar connectivity to 0-3 order-disorder connectivity. This hypothesis is discussed with relation to present theories [G. A. Smolenskii: J. Phys. Soc. Jpn. (1970) Suppl., p. 26, L. E. Cross: Ferroelectrics 76 (1987) 241, T. L. Renieke and K. L. Ngai: Solid State Commun. 18 (1973) 1543] and reported experimental results of the perovskite relaxor ferroelectrics.

The structural and dielectric properties of (1− x )BaTiO 3 – x BiScO 3 ( x =0–0.5) ceramics were investigated to acquire a better understanding of the binary system, including determination of the symmetry of the phases, the associated dielectric properties, and the differences in the roles of Bi 2 O 3 and BiScO 3 substitutions in a BaTiO 3 solid solution. The solubility limit for BiScO 3 into the BaTiO 3 perovskite structure was determined to be about x =0.4. A systematic structural change from the ferroelectric tetragonal phase to a pseudo‐cubic one was observed at about x =0.05–0.075 at room temperature. Dielectric measurements revealed a gradual change from proper ferroelectric behavior in pure BaTiO 3 to highly diffusive and dispersive relaxor‐like characteristics from 10 to 40 mol% BiScO 3 . Several of the compositions showed high relative permittivities with low‐temperature coefficients of capacitance over a wide range of temperature. Quantification of the relaxation behavior was obtained through the Vogel–Fulcher model, which yielded an activation energy of 0.2–0.3 eV. The attempt characteristic frequency was 10 13 Hz and the freezing temperature, T f , ranged from −177° to −93°C as a function of composition. The high coercive fields, low remanent polarization, and high activation energies suggest that in the BiScO 3 –BaTiO 3 solid solutions, the polarization in nanopolar regions is weakly coupled from region to region, limiting the ability to obtain long‐range dipole ordering in these relaxors under field‐cooled conditions.

Research on sintering of dense ceramic materials has been very active in the past decades and still keeps gaining in popularity. Although a number of new techniques have been developed, the sintering process is still performed at high temperatures. Very recently we established a novel protocol, the “Cold Sintering Process ( CSP )”, to achieve dense ceramic solids at extraordinarily low temperatures of <300°C. A wide variety of chemistries and composites were successfully densified using this technique. In this article, a comprehensive CSP tutorial will be delivered by employing three classic ferroelectric materials ( KH 2 PO 4 , Na NO 2 , and BaTiO 3 ) as examples. Together with detailed experimental demonstrations, fundamental mechanisms, as well as the underlying physics from a thermodynamics perspective, are collaboratively outlined. Such an impactful technique opens up a new way for cost‐effective and energy‐saving ceramic processing. We hope that this article will provide a promising route to guide future studies on ultralow temperature ceramic sintering or ceramic materials related integration.