储能用电介质材料具有功率密度高,充放电速率快,温度稳定性好,抗老化性强等优点,使其在混合动力汽车、医疗激光、石油勘探、定向武器等电力、电子系统中的应用日益广泛,特别是在高能脉冲功率技术领域有着不可替代的应用前景。但是,电介质储能材料的储能密度相对较低。因此,提高材料的储能密度是该领域的研究重点难点。其中,弛豫铁电材料由于其较高的介电常数、较低的剩余极化强度和“线性度”较高的电滞回线,具有实现兼备高储能密度和高储能效率的潜力。BaTi03是应用最广泛的介电材料之一,被誉为“电子陶瓷产业的支柱”,具有介电常数大,介电损耗小,耐压性强、绝缘性好等特点,在介电、铁电、压电等领域都得到了广泛关注与研究。然而,BaTi03剩余极化强度大、介电性温度稳定性差等特点限制了其作为介电储能材料的发展与应用。因此,本论文采用取代改性的方式,通过向BaTi03中掺入铋基钙钛矿结构Bi(B’B")03,形成(1-x)BaTi03-xBi(B’B")O3体系,通过组分调节,构造BaTi03基弛豫铁电体,提高BaTi03基铁电陶瓷材料的介电储能性质。在BaTiO3-Bi(B’B")03体系中,根据化合价守恒,B’B"为+3价阳离子或+1、+2价与+4、+5、+6价阳离子的复合,采用Bi3+和(B’B")3+分别取代BT的A位Ba2+与B位Ti4+,根据钙钛矿结构A、B位离子半径关系,固溶体的容忍因子降低,引发铁电陶瓷产生介电弛豫行为。弛豫行为的产生是由于Bi(B’B")03的取代导致BaTi03长程有序的铁电四方相结构被破坏,而在纳米尺度上出现了具有极性的团簇,被称为极性纳米微区(polar nanoregions,PNRs)。PNRs的存在使得极性铁电相和非极性顺电相在很宽的温度范围内是同时存在的,产生的弥散的相变,有效提高了材料的温度稳定性;同时,与普通铁电体相比,弛豫铁电体中PNRs的出现使样品在电场作用下更容易被极化,有效降低矫顽场和剩余极化强度,从而有效提高储能性质。本论文即是围绕着BaTi03基铁电陶瓷材料的结构特点、介电弛豫行为和介电储能性质展开的。本论文采用传统固相烧结法制备了不同取代量x的BaTi03基铁电陶瓷材料(1-x)BaTi03-xBi(B’B")03(B’=Mg2+、Zn2+;B"=Sn4+、Zr4+、Nb5+、Ta5+)(以下简称BT-BiB’B")共七个系列样品。通过结构表征,分析研究了 BT-BiMgSn、BT-BiMgZr、BT-BiZnZr、BT-BiMgNb、BT-BiZnNb、BT-BiMgTa、BT-BiZnTa 七个系列的结构特点。在取代量0.04≤x≤0.08时,结构上出现四方相向赝立方相的转变;同时,随取代量x的增加,晶胞体积变大。陶瓷样品微观形貌致密,且晶粒尺寸小,有助于增强样品的耐击穿强度。各元素是均匀分布在晶粒与晶界处的,证实了样品的化学均匀性。同时,随取代量x的增加,在微观尺度上形成了富集元素的团簇。通过介电性能测试,分析研究了 BT-BiMgSn、BT-BiMgZr、BT-BiZnZr、BT-BiMgNb、BT-BiZnNb、BT-BiMgTa、BT-BiZnTa 七个系列的介电弛豫行为。介电温谱结果表明,当取代量在x≤0.04时,样品表现出明显的铁电特性;当取代量在X≥0.08时,样品出现弥散相变和频率色散的现象。为了深入研究弛豫行为随温度变化的物理机制,通过拟合修正后的居里外斯定律,在x>0.08时得到了较高的弛豫程度γ;通过拟合Vogel-Fulcher关系和1/ε随温度的变化规律,分析了弛豫行为的热激活过程,从弛豫参数TB,Tf,Ea证实了在BaTi03-Bi(B’B")03体系中,通过组分调节,在x>0.08时得到了宽温区弱耦合的弛豫铁电材料。通过铁电性能测试,分析研究了 BT-BiMgSn、BT-BiMgZr、BT-BiZnZr、BT-BiMgNb、BT-BiZnNb、BT-BiMgTa、BT-BiZnTa 七个系列的介电储能性质。随取代量x的增加,极化强度(最大极化强度、剩余极化强度)降低,矫顽场降低,电滞回线更加“细瘦”和“线性”,在x>0.08的弛豫相,剩余极化强度和矫顽场非常小,几乎是可忽略的。在不同电场下的电滞回线测试中,结果表明在较低电场下,随取代量x的增加,储能密度Wrec存在先增后降的变化趋势,储能效率η呈整体上升趋势;在较高电场下,随电场的增加,储能密度Wrec逐渐提高,储能效率η呈下降趋势。储能性质受击穿电场影响,在0.09≤x≤0.16时会实现储能性质的最佳,其中,七个系列陶瓷样品储能性质的最优结果分别为:(1)对BT-BiMgSn系列,x=0.14的弛豫铁电陶瓷样品的最大击穿电场为370 kV/cm,实现储能密度3.61 J/cm3,储能效率92.8%;(2)对BT-BiMgZr系列,x=0.15的弛豫铁电陶瓷样品的最大击穿电场为240 kV/cm,实现储能密度2.05 J/cm3,储能效率92.0%;(3)对BT-BiZnZr系列,x=0.12的弛豫铁电陶瓷样品的最大击穿电场为250kV/cm,实现储能密度2.47 J/cm3,储能效率94.4%;(4)对BT-BiMgNb系列,x=0.16的弛豫铁电陶瓷样品的最大击穿电场为590kV/cm,实现储能密度6.40 J/cm3,储能效率95.6%;(5)对BT-BiZnNb系列,x=0.12的弛豫铁电陶瓷样品的最大击穿电场为300 kV/cm,实现储能密度3.04 J/cm3,储能效率98.8%;(6)对BT-BiMgTa系列,x=0.12的弛豫铁电陶瓷样品的最大击穿电场为310 kV/cm,实现储能密度3.37 J/cm3,储能效率88.1%;(7)对BT-BiZnTa系列,x=0.09的弛豫铁电陶瓷样品的最大击穿电场为450 kV/cm,实现储能密度3.96 J/cm3,储能效率为89.6%。同时,对BT-BiMgSn、BT-BiZnNb、BT-BiZnTa三个系列储能性质的温度稳定性进行测试,分析结果为:(1)在 200 kV/cm 电场下,0.86BT-0.14BiMgSn 弛豫铁电陶瓷在 20-120℃变化时,储能密度的变化量小于8.0%;储能效率保持在90%以上;在0.1-10 Hz变化时,储能密度的变化量小于8.5%;储能效率保持在80%以上。(2)在 200kV/cm 电场下,0.88BT-0.12BiZnNb 弛豫铁电陶瓷在 20-160℃变化时,储能密度的变化量小于7.7%;储能效率保持在88%以上;在0.1-10 Hz变化时,储能密度的变化量小于12%;储能效率保持在80%以上。(3)在 200kV/cm 电场下,0.91BT-0.09BiZnTa 弛豫铁电陶瓷在 20-160℃变化时,储能密度的变化量小于6.0%;储能效率保持在89%以上。因此,本论文通过对(1-x)BaTi03-xBi(B’B")03体系进行组分调节,构造弛豫铁电体,得到了兼具较高的储能密度和较高的储能效率的陶瓷材料,证实了BaTi03基弛豫铁电体在介电储能方面的巨大应用潜能。