BSBT基储能介质陶瓷的掺杂改性研究

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随着电力电子的快速发展,在电工领域、高功率微波系统、脉冲功率系统以及混合动力电动汽车等领域迫切需要一种快速充放电、稳定性好、击穿场强高、储能密度高的电介质材料。本论文以弛豫型铁电体(Ba0.6Sr0.4)0.85Bi0.1TiO3(简称BSBT)为研究对象,通过Zn2P2O7掺杂、氧化物(ZrO2、HfO2)掺杂以及CaHfO3掺杂来改性BSBT陶瓷材料,研究了其对BSBT陶瓷材料结构、介电性能、击穿性能以及储能特性的影响,以期提高陶瓷材料的储能性能。  本论文采用传统固相法制备了BSBT–xwt%Zn2P2O7(x=0,1,5,10,15)陶瓷,研究了Zn2P2O7掺杂对BSBT陶瓷材料结构及性能的影响。研究结果表明,随Zn2P2O7掺杂量的增加,陶瓷体系的烧结温度从未掺杂的1325℃降低到1130℃。此外,Zn2P2O7掺杂抑制了晶粒的生长且使晶粒分布更加均匀,当Zn2P2O7掺杂量从0变化到15wt%时,陶瓷体系的晶粒尺寸从未掺杂的1.69μm降低到1.18μm。随Zn2P2O7掺杂量的增加,陶瓷体系的击穿场强单调增大,从未掺杂的122kV/cm增大到326kV/cm。Zn2P2O7掺杂还提高了陶瓷体系的储能效率,从未掺杂的72%增大到90.3%。最后,通过测量阻抗谱定量分析了储能效率和界面极化的关系。  鉴于Zn2P2O7介电常数比较低(仅为7.5),为了进一步提高材料体系的储能特性,研究了介电常数比较高的氧化物(ZrO2、HfO2)掺杂对BSBT陶瓷材料结构及性能的影响。研究结果表明,当ZrO2掺杂量小于等于1mol%时,其可与BSBT形成固溶体;当掺杂量大于等于5mol%时,陶瓷体系中出现第二相。掺杂ZrO2后,陶瓷体系晶粒分布更加均匀。随ZrO2掺杂量的增加,陶瓷体系的击穿场强先增大后减小。当ZrO2掺杂量为8mol%时,陶瓷体系具有最大的击穿场强,为215kV/cm。与掺杂ZrO2的陶瓷样品相比,HfO2在BSBT中的固溶度也在1mol%~5mol%之间。掺杂HfO2后,陶瓷体系的晶粒尺寸轻微增大。此外,掺杂HfO2的陶瓷样品介温稳定性比掺杂同摩尔数ZrO2的陶瓷样品更好,介电常数变化率从未掺杂的-56.14%降低到-32.99%。与掺杂ZrO2不同,随HfO2掺杂量的增加,陶瓷体系的击穿场强从未掺杂的122kV/cm单调增大到237kV/cm。通过对比,发现当HfO2的掺杂量为1mol%时,陶瓷体系的放电能量密度达到最优,为1.32J/cm3。  考虑到氧化物掺杂会使陶瓷体系中出现第二相Bi的化合物,其析出降低了缺陷补偿对介电常数的贡献。为了在提高陶瓷体系击穿场强的同时不大幅度牺牲材料的介电常数,研究了CaHfO3掺杂对BSBT陶瓷材料结构、介电性能、击穿性能以及储能特性的影响。研究结果表明,在所掺量范围内,CaHfO3与BSBT形成固溶体。与掺杂同摩尔数的氧化物(ZrO2、HfO2)相比,掺杂CaHfO3的陶瓷样品介电常数更高。随CaHfO3掺杂量的增加,陶瓷体系的击穿场强显著增大,当掺杂量为8mol%时,陶瓷体系具有最优的电学性能:ε1=1609,tanδ=0.002,Eb=196kV/cm,Jd=1.48J/cm3。
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