大容量脉冲电容器用高耐压介质材料的研究

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脉冲功率技术的发展越来越需要能源系统的小型化、轻量化。其中高容量高耐压的储能元件是能源系统中的关键部分,提高储能元件用电介质材料的储能密度意义重大。本文选用钛酸锶铅为研究对象,研究了Bi2O3?3TiO2掺杂、CaO掺杂、Bi(Mg1/2Ti1/2)O3(简写BMT)掺杂以及制备工艺对(Sr,Pb)TiO3陶瓷的介电性、耐压和储能特性的影响。主要研究内容如下:(1)采用固相法制备了(1-x)Sr0.84Pb0.16TiO3-xBi2O3?3TiO2(x=0,0.03,0.07,0.09,0.14)陶瓷,研究了Bi2O3?3TiO2掺杂量对陶瓷物相、显微结构和介电性能的影响。发现了Bi2O3?3TiO2含量的增加有助于晶粒的生长、并且材料室温下介电常数也不断增加。材料的居里峰也随着掺杂量的增加向高温方向移动,并出现明显的弛豫特性。当x=0.09时,陶瓷具有最较佳性能:?r=3044,tan?=0.002,BDS=114.4kV/cm,在100kV/cm下的储能密度表达J=0.702J/cm3。(2)在0.91Sr0.84Pb0.16TiO3-0.09Bi2O3?3TiO2的基础上,研究了CaO掺杂对陶瓷组成、显微结构和介电性能的影响。发现少量掺杂CaO有助于进一步提高陶瓷材料的介电常数,随着CaO添加量的进一步增加材料的介电常数随之下降,击穿场强基本不变,当CaO掺杂量为0.005时,材料的介电常数升至3300左右,并且其耐压强度相较于未掺杂样品0.91Sr0.84Pb0.16TiO3-0.09Bi2O3?3TiO2的变化也不是很大。(3)采用固相法制备了(1-x)SPT-xBMT(x=0,0.02,0.04,0.06,0.08)陶瓷。对其结构和性能的分析发现,随着x值的增加击穿场强增加,陶瓷材料展现出弛豫特性。陶瓷材料在x=0.06处具有最佳性能:?r=1980,tan?=0.00325,BDS=160 kV/cm,储能密度J=0.544 J/cm3(E=110kV/cm时)。(4)选取上面三组实验中的最优组成,探讨了等静压工艺对它们性能的影响,得到结论为等静压对Bi2O3?3TiO2掺杂那一组几乎没影响;对掺CaO的发现影响很大,介电常数提升很大;对掺BMT那一组的击穿场强影响很大,其值增加明显。
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