【摘 要】
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近年来,介质电容器以其超高的功率密度、高温稳定性和超快的充放电能力,被广泛应用于电动汽车、高频逆变器、电磁脉冲炸弹和医疗器械等脉冲电源系统中。但是与超级电容器和电池相比其储能密度较低,因此介质电容器往往需要较大的体积和重量来提供足够的功率,而这与现今电子元器件的轻量化、集成化和微型化的发展要求不相符合。所以,具有高储能密度的介电材料亟待开发。弛豫铁电体由于其高介电常数、较大的极化强度Pmax、接近
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近年来,介质电容器以其超高的功率密度、高温稳定性和超快的充放电能力,被广泛应用于电动汽车、高频逆变器、电磁脉冲炸弹和医疗器械等脉冲电源系统中。但是与超级电容器和电池相比其储能密度较低,因此介质电容器往往需要较大的体积和重量来提供足够的功率,而这与现今电子元器件的轻量化、集成化和微型化的发展要求不相符合。所以,具有高储能密度的介电材料亟待开发。弛豫铁电体由于其高介电常数、较大的极化强度Pmax、接近于零的剩余极化强度Pr和中等的击穿场强,成为理想的介电储能材料。因此,本文选择极具潜力的弛豫铁电体Bi0.5Na0.5TiO3(BNT)体系为研究对象,通过SrTiO3(ST)和CuO掺杂BNT陶瓷,降低BNT基体居里温度,减小其剩余极化强度和矫顽场强,增强极化特性和击穿场强,从而提升储能性能;并通过对材料的微观结构和相结构的表征探讨了其对介电性能、铁电性能和充放电性能的影响。采用溶胶-凝胶法制备了(1-x)BNT-x ST无铅陶瓷,研究了不同ST掺杂含量对BNT陶瓷相结构、微观形貌、介电性能和储能性能的影响。XRD显示出所有样品表现出立方相结构,随着ST含量的增加晶胞参数先减小后增大。所有陶瓷样品介温谱表现出强烈的频率色散,并且在该峰区域内居里温度宽化为居里温区,呈现出明显的扩散相变,表明该系列陶瓷具有典型的弛豫铁电体行为,其原因可能是由于Sr2+的掺杂导致尺寸和电荷无序度的差异形成纳米极化微区(PNRs)。随着ST的含量从0.2增加到0.7,最大介电常数对应的温度(Tm)值在10 kHz时从200℃降低到-50℃。此外ST的引入增强了 BNT陶瓷的击穿场强,从x=0.2时的70 kV/cm提高到x=0.7时180 kV/cm,在x=0.6时样品具有最大有效储能密度Wrec~1.22 J/cm3,储能效率η高达80%。采用溶胶-凝胶法制备了 0.5BNT-0.5ST-x mol%CuO陶瓷,系统地研究了合成陶瓷的介电性能、铁电性能、击穿电场、储能性能和放电性能。本研究的目的是通过烧结助剂的添加和溶胶-凝胶法的结合在保证储能性能的前提下降低BNT基陶瓷烧结温度。实验表明,CuO的添加显著降低了0.5BNT-0.5ST陶瓷的烧结温度,从x=0时的1130℃降低至x=2时的820℃。其介电常数先增大后减小,室温下的介电损耗从x=0时的0.07逐渐降低到x=1.5时的0.0018。此外,CuO的添加提高了陶瓷的击穿场强,当x=1.5时,样品具有最大的击穿场强值250 kV/cm。总而言之,添加CuO明显提升了样品的储能性能,0.5BNT-0.5ST-1.5 mol%CuO陶瓷样品在230 kV/cm的外加电场和860℃的超低烧结温度下,得到了较大的有效储能密度Wrec~2.20 J/cm3和较高的储能效率η~72.39%。此外,该陶瓷样品在160 kV/cm电场下电流密度CD和功率密度PD分别达到1740.97 A/cm2和139.28 MW/cm3;外加电场在150 kV/cm时其放电储能密度Wd达到1.23 J/cm3放电时间t0.9为82 ns。其优异的储能性能表明0.5BNT-0.5ST-1.5mol%CuO陶瓷有潜力成为制备脉冲功率陶瓷电容器的重要材料。
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