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[学位]

基于纳米核壳工艺制备的 BaTiO3@SiO2复合陶瓷及其储能研究

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Author:

许聪聪 (许聪聪.)

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学位论文库

Abstract:

社会发展带来的环境污染和能源过度消耗问题迫使我们在寻求更加清洁的能源的同时需要追求更加安全和高效的能量存储设备。铁电陶瓷电容器因其具备较高的介电常数、快速的充放电过程和优秀的热稳定性等特点而被广泛地应用在大容量且温度变化小的储能系统中。但是铁电陶瓷本身较低的击穿场强成为其能量存储密度提升的阻碍,因此寻求新的制备工艺和改性方法以提升铁电陶瓷储能密度成为了该领域的研究热点。
通过“自下而上”添加氧化物的方法可以提高铁电复合陶瓷的击穿场强从而提高储能密度,而其中以纳米核壳颗粒作为原材料制备的复合陶瓷电容器,其储能性质尤为优异。为了制备高储能密度的复合铁电陶瓷同时研究可调壳层厚度的核壳纳米颗粒对最终烧结块体陶瓷的微结构和储能性能的影响,在本文中我们采用传统的水热法成功合成二氧化硅包裹钛酸钡(BaTiO3@SiO2)纳米颗粒,并制备成块体陶瓷,而后将其作为研究模型探索了原始纳米结构的前驱物对烧结块体复合陶瓷的电学性能的影响。我们通过控制正硅酸四乙酯(TEOS)的浓度,获得了一种具备均一连续的SiO2外壳的BaTiO3纳米颗粒,透射电子显微镜(TEM)表明合成的核壳纳米颗粒具有良好的分散性,其外壳包裹良好且均一连续。扫描电子显微镜(SEM)揭示了烧结后块体复合陶瓷表面的微观结构,其结果表明SiO2外壳在重塑BaTiO3@SiO2复合陶瓷的微观结构中起着重要的作用。为了探索并构建微观结构与性能之间的关系,我们对烧结成瓷的陶瓷块体样品分别进行了漏电流、介电性能以及铁电性质的测试。漏电测试结果表明,微观结构的差异不仅导致样品的漏电流密度存在显著的差别,还影响着其内部的电荷传导机制。介电测试结果表明随着SiO2含量的增加,居里点处的介电温度曲线趋于弥散宽化,同时介电损耗降低。最终,我们在BaTiO3@20wt%SiO2复合陶瓷体系中获得了最大能量存储密度约4.799 J/cm3(击穿场强为370kV),同时储能效率达到99%。
本文研究不仅证实了纳米级核壳工艺是提高铁电复合陶瓷能量储存性能的有效策略,同时还进一步探索了微观结构与复合陶瓷电容器之间的关系,为铁电材料在电容器领域的进一步发展提供了宝贵的经验。

Keyword:

电容器 纳米材料 能量存储 钛酸钡 铁电

Author Community:

  • [ 1 ] 西安交通大学前沿科学技术研究院

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Basic Info :

Degree: 硕士

Mentor: 杨耀东

Year: 2018

Language: Other

Cited Count:

WoS CC Cited Count: 0

30 Days PV: 15

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