钛酸铋钠基弛豫铁电陶瓷的制备及储能特性研究

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钛酸铋钠基陶瓷电介质具有高介电常数与良好的热稳定性,是最有希望应用于陶瓷储能电容器的电介质材料。钛酸铋钠基陶瓷的极化强度与击穿场强在很大程度上决定了其储能性能的优劣。本文围绕钛酸铋钠基弛豫铁电陶瓷的组分优化、晶粒细化以及局域电场调控,逐步改善了钛酸铋钠基弛豫铁电陶瓷的储能性能。具体研究内容与结论如下:(1)选取具有准同型相界的BNT-ST陶瓷,其比纯BNT陶瓷具有更大的Pmax和更小的Pr,这是保证其在较低电场下获得高储能密度的前提。利用Ag Nb O3对基体进行掺杂改性,导致BNT-ST-100x AN逐渐从非遍历弛豫态向遍历弛豫态的过渡,导致Pr首先开始大幅下降,当掺入过量Ag Nb O3时,铁电体的长程有序性破坏严重,需要很高的电场才能重新诱发弛豫铁电-铁电相变,故而Pmax此时也出现明显降低。因此,在100 k V/cm电场下比较,BNT-ST-5AN实现了最高的可释放储能密度。同时,其还具有出色的温度(25-175℃)和频率(1-100 Hz)稳定性。最终BNT-ST-5AN在120 k V/cm的低电场下实现了超过2 J/cm3的储能密度。(2)利用正硅酸四乙酯的水解反应构建了BNT-ST-5AN:Si O2复合陶瓷颗粒,最终成功制备了具有超细晶粒尺寸的BNT基弛豫铁电储能陶瓷。氧化硅作为烧结助剂将基体的烧结温度从1150℃大幅降低至980℃,降低的烧结温度既有利于生产过程的能源消耗,又可以降低烧结过程中的元素扩散速度从而抑制晶粒长大,提高材料击穿场强。其次,处于基体颗粒晶界处的纳米氧化硅在阻碍晶界迁移晶粒长大的同时承担了更高局部电场,进一步提高了击穿场强。最终复合陶瓷在317 k V/cm的击穿电场下获得了3.22 J/cm3的可释放储能密度,显示了细晶陶瓷在提高介质材料击穿场强,增加储能密度方面的巨大潜力。(3)针对BNT-ST-5AN及其复合材料储能效率不理想的问题,选取具有超高储能效率(>90%,)的BNT-SBT弛豫铁电陶瓷作为基体,通过复合低介电常数、高击穿场强、高温下化学稳定性优异的Al N填料,成功制备了两相组织明显的复合陶瓷。由于高温下优异的化学稳定性,Al N晶粒独立的弥散分布于基体陶瓷的晶界处,并没有与基体发生明显的扩散反应。低介电常数的Al N填料相较高介电常数的BNT-SBT基体会分担更高的局域电场,导致基体陶瓷实际承受的局域电场小于根据样品尺寸计算得到的表观电场(即测试电场)。由于Al N陶瓷优异的绝缘性能,可以承受超高的局域电场。因此相比基体陶瓷,复合陶瓷击穿场强整体上提高了104%,储能密度提高了108%达到4.24 J/cm3,并具有90%以上的储能效率。
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