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《西北工业大学》 2017年
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钛酸铋钠基陶瓷的掺杂与电卡及储能特性研究

王举  
【摘要】:钛酸铋钠(Bi_(0.5)Na_(0.5)TiO_3)作为一种新型的A位复合离子钙钛矿无铅压电材料具有优异的铁电压电性能。它的机电耦合系数各向异性较大(k_t约50%,k_p约13%),用作厚度振动的振子,容易除去不必要的振动;居里温度较高(320℃);相对介电常数较小(240~340℃);热释电性能与BaTiO_3和PbZrTiO_3相当;声学性能好(N_p=3200 Hz·m);而且烧结温度低,一般在1200℃以下,被认为是最有可能取代PbZr Ti O_3的无铅材料之一。本文主要采用固相烧结法制备Bi_(0.5)Na_(0.5)TiO_3为基体的陶瓷。研究不同掺杂对Bi_(0.5)Na_(0.5)TiO_3材料的结构、铁电、介电、电卡和储能性能的影响。首先,本文主要采用传统的固相法制备La_2O_3掺杂的(Bi_(0.5)Na_(0.5))_(0.94)Ba_(0.06)TiO_3(BNBT6)陶瓷,并在La_2O_3掺杂的BNBT6陶瓷中发现了大的电卡效应。主要研究并测量了材料的介电和铁电性能。La_2O_3掺杂的BNBT6陶瓷的电卡性能采用间接法计算。通过研究发现La_2O_3的引入有助于提升材料的电卡效应。在x=0.5 wt%的陶瓷中得到了最大的绝热温变|ΔT_(62)|=2.61 K和电卡系数|ξ_(max)|=0.052 Kcm/kV。这样的结果要远超于之前关于Bi_(0.5)Na_(0.5)TiO_3基陶瓷的报道。另外,x=1.0 wt%的陶瓷由于退极化温度降低到室温附近,导致材料在室温下具有绝热温变|ΔT_(30)|=1.954 K和电卡系数|ξ_(max)|=0.039 Kcm/kV的性能。这样的性能保证了La_2O_3掺杂的BNBT6陶瓷能够成为优异的制冷材料。其次,在BaZrO_3掺杂的0.80Bi_(0.5)Na_(0.5)TiO_3-0.20Bi_(0.5)K_(0.5)TiO_3(BNBK)陶瓷中获得了较大的能量存储密度。本文中主要研究了(1-x)BNBK-xBaZrO_3的储能特性。通过韦伯分布模型可以知道BaZrO_3主要通过提升BNBK材料的击穿场强来提升材料的储能密度。在电场为70 kV/cm的作用下,材料最大的储能密度W_1=0.73 J/cm~3和储能效率η=0.75出现在0.96BNBK-0.04BaZrO_3陶瓷中,明显超过之前Bi_(0.5)Na_(0.5)TiO_3基和含铅陶瓷材料。另外,它的储能密度在30-100℃之间具有良好的温度稳定性。这些性能决定了(1-x)BNBK-xBaZrO_3陶瓷在储能设备上具有较大的应用潜力。最后,在(1-x)(0.7Na_(0.5)Bi_(0.5)TiO_3-0.3Bi_(0.2)Sr_(0.7)TiO_3)-xNaNbO_3((1-x)BNBST-xNaNbO_3)陶瓷中,发现适量引入NaNbO_3并不改变基体的钙钛矿结构,但是当过量引入会引起陶瓷中第二相出现。另外,由于NaNbO_3的引入增加了BNTBST纳米极性微区向宏观极性区域转变的难度,所以材料的击穿场强有所提升,从而进一步提高材料的储能密度。在电场90 kV/cm的作用下,x=0.01样品的储能密度W_1=1.3 J/cm~3,温度稳定性好,可充放电循环使用近500次。这种材料的储能效率和储能密度都远超于之前的报道,是一种优异的储能材料。
【学位授予单位】:西北工业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TQ174.1

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