固相/冷烧/SPS不同工艺制备BNT基陶瓷及介电和储能性质研究

来源 :陕西师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:liongliong502
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近年来,随着电子科学技术的高速发展,陶瓷储能电容器由于具有高的功率密度和快的充放电过程而被广泛应用。但是集成化、小型化的发展趋势对电容器的储能性能提出了更高的要求。铁电陶瓷储能材料的储能性能十分优异,其中铅基储能材料的性能最佳。但是考虑到铅元素对环境和人类的影响,开发出储能性能可与之媲美的无铅储能材料成为目前的研究突破点。在所研究的铁电陶瓷材料中,Na0.5Bi0.5TiO3(BNT)基陶瓷材料被广泛研究。BNT的极化强度较高并且电滞回线会随着温度的升高而变细长,这有利于电能的存储,但是,其在室温下剩余极化与矫顽场较高,电滞回线相对饱满,不利于储能。对BNT基材料进行改性,使其具有相对较大的饱和极化强度的同时,尽量降低剩余极化强度,且提高击穿场强,以获得更优异的储能参数。本论文首先通过传统固相烧结法制备铌酸钠掺杂的BNT基陶瓷,获得改善的储能和高温介电稳定性;接着通过冷烧辅助烧结法和放电等离子烧结法制备样品,讨论了不同烧结工艺对陶瓷样品的结构与电学性能的影响;最后尝试采用流延工艺制备了厚膜与多层陶瓷,并对其结构和电学性能进行了详细研究。(1)采用固相烧结法制备了(1-x)(0.94(Bi0.47Na0.47Ba0.06)TiO3-0.06BiA103)-xNaNbO3(x=0、0.01、0.02、0.03、0.05、0.1)陶瓷。所有陶瓷样品均具有纯钙钛矿晶体结构,陶瓷试样的晶粒尺寸均约为1μm。NaNbO3掺杂的陶瓷与未掺杂试样相比,其电容温度系数(TCC)明显下降。x=0.01组分样品表现出了较好的储能性质,储能密度达到了 1.68 J/cm3,储能效率达到62%。在66℃至266℃范围内介电性能保持稳定。x=0.02的样品表现出高的介电常数和良好的温度稳定性,在67℃至380℃宽温度范围内,满足TCC≤±15%的要求。本研究得到国家自然基金(No.51972202)的资助除此之外,x=0.02样品在0.5 Hz到100 Hz的范围内表现出良好的储能性质频率稳定性;在25℃到130℃的范围内表现出良好的储能性质温度稳定性;在经过105次循环后,样品性能几乎没有任何变化,表现出优异的抗疲劳特性。(2)采 用 冷 烧 辅 助 烧 结 法 制 备 了0.99(0.94Bi0.47Na0.4 7Ba0.06TiO3-0.06BiA103)-0.0 1NaNb03(记作 BNBTA-0.01NN)陶瓷。经过冷烧并退火处理后,样品的X射线衍射(XRD)测试曲线上出现了第二相衍射峰,主要与铋层状结构的Na0.5i4.5Ti4O15有关。冷烧辅助烧结中选取四个热处理温度,随热处理温度的升高,样品的晶粒尺寸从0.4 μm增大到1μm,并且在1000~1150℃的范围内热处理后,陶瓷试样的相对密度均保持在95%以上,一定程度上拓宽了获得致密BNT基陶瓷的温度处理范围。通过对四个样品的介电行为以及铁电行为的测试分析,发现不同热处理温度对样品的介电和铁电性能的影响并不显著。不同温度退火样品的最大介电常数在1800左右浮动,介电损耗为0.05。1000℃退火样品的储能密度为1.03 J/cm3,储能效率为74.3%。结果表明采用冷烧辅助烧结法不仅能拓宽热处理温区,而且能降低热处理温度。采用放电等离子烧结法制备了 BNBTA-0.01NN陶瓷样品,烧结温度分别是900℃、925℃、950℃、975℃,之后在900℃进行了退火处理。所有样品的密度均在95%以上,并且随着烧结温度的升高,密度逐渐增大。XRD测试结果表明,样品均为纯钙钛矿结构,无第二相生成。平均晶粒尺寸均在80 nm左右,相比于传统固相烧结和冷烧辅助烧结,放电等离子烧结陶瓷的晶粒尺寸明显减小。所有样品的介电常数最大值均在2000附近浮动,在测试温度范围内,存在频率弥散现象。样品的储能密度均为1.24J/cm3,结果表明不同烧结温度对样品介电和储能特性几乎没有影响。与传统固相烧结样品相比,介电常数有明显的减小,击穿场强有所提高,大约为160 kV/cm。(3)采用流延工艺制备了 (Bi0.47Na0.47Ba0.06)TiO3(记作BN6BT)陶瓷厚膜,并进行叠层,对流延工艺进行了探索。初步探究确定流延所用浆料pH为9,分散剂浓度为43%,加入比例为粉体质量的1%。得到的生坯膜厚度约为100μm,叠层后陶瓷坯体厚度约为2 mm。1100℃烧结得到陶瓷样品的密度较高,无明显孔洞,晶粒形貌为立方形。叠层陶瓷样品的介电性能对温度的变化响应较为剧烈,尤其是在1kHz下介电常数随温度大幅增长。同时,随着测试温度升高,样品的介电损耗也持续增大,远大于常规烧结试样的介电损耗。
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