流延法制备铅基反铁电陶瓷及其储能行为研究

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PbZrO3(PZ)是一种铅基反铁电材料,因其具有高介电常数、电致相转变、相变后的高极化值和高居里温度而得到广泛的关注和研究。再加上可调的钙钛矿相结构和介电可调性,PZ基反铁电材料得到广泛的关注,并因为其优异的储能性能而被广泛开发和应用于储能电容器件中。本文采用流延法来制备PZ和PZ基反铁电陶瓷,研究了PZ陶瓷的介电性能和储能行为,不同掺杂离子及不同掺杂含量对PZ基反铁电陶瓷储能性的影响,旨在制备得到具有高储能性的高品质介电陶瓷材料。同时也全面研究了不同掺杂离子和不同掺杂离子含量对PZ基反铁电陶瓷的相结构、微观形貌、介电性能和耐击穿性的影响。首先研究了PbZrO3,通过流延法制备得到高品质陶瓷。研究发现,PZ陶瓷的正、反向相转变场强EAFE-FE和EFE-AFE分别为225 kV/cm和165 kV/cm,击穿强度为272kV/cm。介电常数为210,介电损耗小于0.1。结果,通过电滞回线计算,在该陶瓷中得到的最高储能密度值为6.7 J/cm3,对应储能效率为71.7%。通过脉冲放电直接测试计算,该陶瓷的最高储能密度值为4.45 J/cm3,释放90%总储能密度的时间t90为216 ns。然后研究了(Pb1-xLax)(Zr0.98Ti0.02)O3(x=0.02,0.04,0.06),通过流延法制备得到高品质陶瓷。通过调节组分中La3+的离子掺杂量来提高陶瓷正交反铁电相的稳定性,从而,在稳定饱和极化值的同时提升陶瓷的正、反向相转变场强和降低他们之间的差值。同时,适量的La3+掺杂会提升陶瓷的击穿场强值。研究发现,当La3+掺杂量为0.04 mol%时,陶瓷的正、反向相转变场强EAFE-FE和EFE-AFE分别为300 kV/cm和260kV/cm,击穿强度为345 kV/cm。并且此陶瓷的介电常数为700,介电损耗小于0.03。结果,通过电滞回线计算,在该陶瓷中得到的最高储能密度为9.84 J/cm3,储能效率高达82.2%。通过脉冲放电直接测试计算,在310 kV/cm场强下,该陶瓷得到的最高储能密度值为5.28 J/cm3,释放90%总储能密度的时间t90为125 ns。最后研究了(Pb0.96La0.04)(Zr1-yTiy)O3(y=0.01,0.02,0.03,0.04,0.05),通过流延法制备得到高品质陶瓷。通过调控组分中Ti4+的离子掺杂量来提高陶瓷正交反铁电相的稳定性,从而,在稳定饱和极化值的前提下,提升陶瓷的正、反向相转变场强。同时,适量的Ti4+掺杂会提升陶瓷的击穿场强值。研究发现在Ti4+掺杂量为0.01 mol%时,陶瓷的击穿强度为413 kV/cm,较Ti4+为0.02 mol%的陶瓷,其击穿强度提升了19.7%。在场强为395 kV/cm时,陶瓷的正、反向相转变场强EAFE-FE和EFE-AFE分别为300 kV/cm和260 kV/cm。结果,通过电滞回线计算,在395 kV/cm场强下,此陶瓷的最高储能密度值高达11.38 J/cm3,储能效率为79.2%。通过脉冲放电直接测试计算,在350 kV/cm场强下,该陶瓷的储能密度值为6.19 J/cm3,释放90%总储能密度的时间为70 ns。
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