钛酸铋钠基无铅陶瓷储能性能研究

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近年来,为解决人类对于便携型电子产品、电动汽车以及大功率储能装置等日益增长的需要,人们迫切的需要寻找拥有超高储能密度和功率密度的新材料。电介质陶瓷电容器因其高功率密度以及更快速的充放电特性,在高脉冲功率应用中引起了更多的重视。本论文以钛酸铋钠(Ba0.5Na0.5Ti O3)基陶瓷为研究对象,通过固溶改性的方法,系统地分析探讨了陶瓷材料相结构以及显微形貌的变化对材料电学性能和储能性能的影响,并揭示其相关物理机制,为具有优异储能性能的陶瓷材料的制备提供经验和参考。本论文主要取得的研究结果如下:(1)采用传统固相烧结法制备出0.94((1-x)Bi0.5Na0.5Ti O3-x Ba Ti O3)-0.06Bi(Mg2/3Nb1/3)O3(BNT-x BT-BMN)陶瓷,系统的研究不同含量的BT对BNT-x BT-BMN陶瓷的相结构、微观形貌和电学性能的影响。所有组分陶瓷的相结构经过XRD分析均表现为纯的钙钛矿结构,通过XRD精修分析发现随着BT含量的增加,陶瓷中三方相(R3c)的比例逐渐增加,四方相(P4bm)的比例逐渐减少。再对其进行电学性能(介电、铁电)测试,发现随着BT含量的不断增加,BNT-x BT-BMN陶瓷样品的介电常数逐渐增大。当x=0.07时,陶瓷样品的击穿场强(Eb)为80 k V/cm,Wrec=1.02 J/cm~3,储能效率(η)为62.90%,表现出良好的储能性能。(2)采用传统固相烧结法制备出(1-x)(0.94Bi0.5Na0.5Ti O3-0.06Ba Ti O3)-x Bi(Mg2/3Nb1/3)O3(BNT-BT-xBMN)陶瓷,通过对处在准同型相界(MPB)0.94BNT-0.06BT二元陶瓷中引入BMN,造成陶瓷中原有的长程有序铁电体被打破,将部分的铁电畴转化成极性纳米微区(PNRs),形成短程弱极性结构,表现出明显的弛豫特性。研究结果表明由于BMN的引入,导致陶瓷内晶胞体积增大,使x射线衍射峰向小角度方向移动,通过XRD精修分析发现陶瓷的相结构逐渐由R3c相向P4bm相转变,最终形成两相共存的相结构。介电与铁电性能测试的结果表明随着BMN含量的增加,介电常数整体上表现出下降的趋势,介电峰也越来越宽化;电滞回线也表现出“瘦腰”的形状,这有助于提高其储能密度。发现BNT-BT-0.20BMN陶瓷样品的击穿场强(Eb)为150 k V/cm,Wrec=1.88 J/cm~3,储能效率(η)为82.15%,表现出优异的储能性能。(3)为了提高BNT-BT-xBMN陶瓷的击穿场强,在BNT-BT-0.20BMN陶瓷的基础上引入反铁电体材料Na Nb O3,制备出(1-x)(0.8(0.94Bi0.5Na0.5Ti O3-0.06Ba Ti O3)-0.20Bi(Mg2/3Nb1/3)O3)-x Na Nb O3(BNT-BT-BMN-x NN)陶瓷。通过研究后发现,Na Nb O3可以改善陶瓷样品的微观形貌,得到细小且分布均匀的晶粒,从而有助于材料击穿场强的提高。介电与铁电性能测试结果表明随着NN的加入,其介电常数不断降低,介电峰也不断宽化,而且NN可以进一步打断陶瓷中的长程有序铁电体,增强陶瓷的弛豫特性,改善了材料的储能性能。发现BNT-BT-BMN-0.20NN陶瓷样品的击穿场强(Eb)为180k V/cm,Wrec=1.69 J/cm~3,储能效率(η)为71.26%,表现出优异的储能性能。
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