钙钛矿型无铅陶瓷铁电、介电、储能及应变多功能特性研究

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陶瓷电容器轻便、高效、环境友好等特性,被广泛应用于电力电子系统。无铅铁电陶瓷存在三方相与四方相共存的准同型相界(MPB),表现出较好的铁电、储能、介电及应变等性能,部分陶瓷虽不存在MPB,但因优异的储能密度和稳定的介电温度特性也被广泛关注。KNN基铁电陶瓷因同时具备高储能密度和较好的透光性而被认为是最具潜力的无铅透明储能材料之一。本文采用传统固相法制备BNT、BT和BS的二元、三元固溶陶瓷,并对其结构和多功能特性进行了研究;探索KNN基透明储能陶瓷的制备工艺,实现其良好的透明及储能等特性。主要内容及结论如下:  (1)制备了(1-x)[0.935(Bi0.5Na0.5)TiO3-0.065BaTiO3]-xBiScO3(BNT-BT-xBS)无铅陶瓷,研究了BiScO3固溶含量对BNT-BT-xBS陶瓷微观结构、储能和应变等性能的影响。结果显示:随BiScO3固溶量的增加,BNT-BT-xBS由三方相与四方相共存向伪立方相转变,平均晶粒尺寸增大,BNT-BT-0.075BS陶瓷在70 kV/cm电压下,最大储能密度为0.46 J/cm3,电致应变达0.25%。阻抗谱的测试结果表明,随着温度升高至500℃,-Z"最大值处的弛豫频率升高,电阻率下降,绝缘性降低,温度继续升高,-Z"最大值处的弛豫频率降低,阻抗系数上升。  (2)制备了(1-x)(0.4BiScO3-0.6BaTiO3)-xBi0.5Na0.5TiO3(BSBT-xBNT)陶瓷,研究了不同BNT固溶含量对BSBT-xBNT陶瓷相组成、显微结构、晶粒尺寸和铁电、介电及储能等的影响。结果显示:XRD图谱均未出现BNT的特征衍射峰。样品没有气孔、结构致密、晶界明显;随BNT含量的增加,BSBT-xBNT陶瓷的铁电特性逐渐加强,储能密度先升后降;陶瓷的储能密度随着电场的升高呈指数形式增长,BSBT-0.15BNT陶瓷在180 kV/cm的下最大储能密度为1.39 J/cm3,储能效率η达88%,介电常数表现出宽温型。BSBT-xBNT陶瓷弥散指数都非常接近于2,是一种良好的弛豫铁电体;阻抗谱中-Z"最大值峰位随着温度的升高向高频移动,BSBT-xBNT中只有单一的本质上没有失真的德拜状半圆。  (3)制备了(1-x)Bi0.5Na0.5TiO3-xBiScO3(BNT-xBS)陶瓷,研究了不同BiScO3固溶含量对BNT-xBS陶瓷的相组成、显微结构、晶粒尺寸和铁电、储能、介电及应变等性能的影响。结果显示:x≥0.05时,晶体由三方相转变为四方相;随BiScO3含量的增加,铁电态向弛豫态转变,气孔率先降低后升高,x=0.1最大储能密度为0.17 J/cm3,储能效率持续上升至59%;室温下介电常数不随BS含量的升高而变化,但随着温度上升,不同BS含量样品的介电常数差异逐渐加大。I-E曲线证明BNT-xBS陶瓷是典型的铁电体。阻抗谱中-Z″最大值随着温度升高先降低后升高,表明样品电阻率先下降后上升。  (4)制备了(1-x)(Bi0.5Na0.5TiO3-0.1BiScO3)-xBaTiO3(BNT-BS-xBT)陶瓷,研究了BaTiO3对BNT-BS-xBT陶瓷组成、显微结构、晶粒尺寸和铁电、储能、介电及应变等性能的影响。结果表明:BaTiO3完全固溶于BNT-0.1BS并形成新的固溶体,样品晶界明显、气孔率低、致密度高;随BT含量的增加,储能效率η持续上升至58%, BNT-BS-0.15BT陶瓷在70 kV/cm下获得最大储能密度0.56 J/cm3,场致应变最高为0.15%;BNT-BS-xBT陶瓷为弛豫铁电体,陶瓷具有良好的高温介电稳定特性,阻抗谱中Z″最大值随着温度升高而降低,表明样品的电阻率不断下降。  (5)采用传统固相法制备了(1-x)(K0.5Na0.5)NbO3–xSr(In0.5Nb0.5)O3(KNN-xSIN)透明介电储能陶瓷,研究了KNN-xSIN陶瓷的结构与电光性能。结果表明:在x=0.05~0.25的范围内,KNN-xSIN陶瓷均为伪立方相钙钛矿结构,随着SIN固溶量增加,铁电态向弛豫态转变,电场击穿强度显著上升。KNN-0.25SIN平均晶粒尺寸为0.36 μm,在1100 nm光源下透光率达65.8%,直流击穿强度高达290 kV/cm。样品在x=0.1、0.15时,介电常数表现出良好的高温稳定特性,且介电损耗几乎为零。温度升高至500℃时,阻抗谱中出现两个半圆弧,说明该陶瓷的电阻主要分别来自于晶粒和晶界效应。500℃为该成分点的居里温度点,介电相转变成顺电相,导致了两种不同类型的电传导行为。
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