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[学位]

钛酸钡基铁电陶瓷介质储能材料研究

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Author:

王通 (王通.)

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学位论文库

Abstract:

高储能密度电介质具有高能量密度和高功率密度,可用于开发高容量电容器,在脉冲功率技术、功率电子电路、电动汽车、电网功率调节等方向有巨大的应用潜力。本论文以BaTiO3基铁电陶瓷为研究对象,希望获得温度和频率稳定性好、击穿强度高、储能密度高的介质陶瓷。采用BaTiO3-ZnNb2O6,BaTiO3-Bi(Mg2/3Nb1/3)O3,BaTiO3-BiFeO3和Ba0.4Sr0.6TiO3陶瓷等几个材料体系,通过添加ZnNb2O6降低BaTiO3陶瓷居里温度,合成BaTiO3-Bi(Mg2/3Nb1/3)O3弛豫铁电体,掺杂Nb2O5提高BaTiO3-BiFeO3陶瓷的电阻率,和在Ba0.4Sr0.6TiO3陶瓷中加入BaO-B2O3-SiO2-Na2O-K2O高电导玻璃来改性BaTiO3基陶瓷材料,进一步提高BaTiO3基陶瓷的储能性能。系统的研究了掺杂改性对BaTiO3基陶瓷材料的制备,微观结构,介电性能和储能性能的研究。初步获得了结构致密,成分均匀,介电性能优异的BaTiO3基陶瓷材料。具体研究工作如下:
为了降低BaTiO3陶瓷的居里温度,我们制备了BaTiO3 – x ZnNb2O6 (x = 1.50, 3.03, 4.60, 6.20, 7.83, 11.18 wt%) (BTZN1–6)陶瓷,研究ZnNb2O6添加对BaTiO3陶瓷结构和性能的影响。结果表明ZnNb2O6能有效降低BaTiO3陶瓷的烧结温度,减小晶粒尺寸,但当ZnNb2O6添加量大于7.83 wt%时,有第二相Ba2Ti5O12生成。BaTiO3陶瓷的居里温度随着ZnNb2O6含量的增加而降低。击穿场强随ZnNb2O6含量增加而提高,并在ZnNb2O6添加量为7.83 wt%时达到最大值,同时获得最大的储能密度。
为研究BaTiO3–BiMeO3基弛豫铁电体的储能特性,我们制备了(1–x) BaTiO3 – x Bi(Mg2/3Nb1/3)O3 (BTBMN) (x = 0.05-0.2)钙钛矿固溶体。Bi(Mg2/3Nb1/3)O3 (BMN)的添加能有效降低BaTiO3基陶瓷的烧结温度。XRD,TEM和Raman的测试结果显示所有的样品均为稳定的纯钙钛矿结构。Raman结果表明BTBMN陶瓷随BMN含量的增加并未发生明显的结构相变。介电测试结果表明BTBMN陶瓷呈现扩散铁电相变。偏压温谱和PFM结果表明BTBMN陶瓷的极性纳米微区尺寸随着BMN含量的增加而减小。当x ≥ 0.1时,所有样品表现出细电滞回线。BTBMN陶瓷在x = 0.15时,击穿电场和绝缘电阻率达到最大值287.7 kV/cm和1.53×1013 Ω?cm,最大储能密度为1.13 J/cm3 (x = 0.1)。当BMN含量为x = 0.2,在?50 °C到300 °C的温度范围内,介电常数表现出良好的温度稳定性。
为提高BiFeO3–BaTiO3 陶瓷的电阻率,我们制备了(1-x) (0.65BiFeO3–0.35BaTiO3) – x Nb2O5 (x = 0, 1, 3, 5 mol%)陶瓷,研究了Nb2O5掺杂对BiFeO3-BaTiO3 (BF-BT)陶瓷的微观结构,击穿场强和储能密度的影响。XRD结果显示当Nb2O5掺杂量小于3 mol%时,陶瓷为单一的伪立方钙钛矿结构。添加1 mol%的Nb2O5能把纯BF-BT陶瓷的绝缘电阻率提高6个数量级。击穿场强随Nb2O5含量的增加而提高,在x = 3 mol%时达到最大值,最大储能密度为0.71 J/cm3。
我们提出了反晶界电容器的模型,晶界比晶粒电导高。由于晶粒晶界电导不同,电场稳定时晶粒电场比晶界电场高。在Ba0.4Sr0.6TiO3 (BST)陶瓷中加入高电导的BaO–B2O3–SiO2–Na2O–K2O玻璃,研究高电导玻璃对BST陶瓷的结构,介电性能,击穿电场和储能密度的影响。玻璃的添加将陶瓷的烧结温度降低了150 °C,同时保持了98%的高致密度。XRD结果表明所有BST玻璃陶瓷具有纯钙钛矿结构,没有明显的第二相生成。BST玻璃陶瓷室温介电常数随Na2CO3含量增加而降低。BST玻璃陶瓷击穿电场和储能密度随Na2CO3含量增加而提高,在最高含量的Na+和K+时达到最大值280 kV/cm和0.72 J/cm3。

Keyword:

弛豫铁电体 储能 电滞回线 钛酸钡 陶瓷

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  • [ 1 ] 西安交通大学电子与信息工程学院

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Basic Info :

Degree: 工学博士

Mentor: 魏晓勇

Year: 2015

Language: Chinese

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30 Days PV: 18

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