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SrTiO_3基储能介质陶瓷的结构调控及介电性能研究

李忆秋  
【摘要】:脉冲形成线的小型化趋势使得具有高介电常数、高绝缘性能电介质材料的研制成为了重要研究课题。本论文选择SrTiO3陶瓷作为研究体系,引入玻璃添加剂对陶瓷进行结构调控,改善其绝缘性能;通过+3价稀土Pr元素掺杂对SrTiO3陶瓷进行组分调节,提高陶瓷体系的介电常数;在制得具有高介电常数的Pr掺杂SrTiO3陶瓷的基础上,引入玻璃添加剂优化陶瓷的电学结构,以期获得具有高介电常数、高绝缘性能的储能介质陶瓷。 采用以下几种玻璃添加剂对SrTiO3陶瓷进行结构调控:(1)非晶态SiO2,简写作S,其D50为4.0μm;(2)固相法制备Ba-Al-B-Si-O玻璃,简写作G,其D50为12.7μtm;(3)溶胶-凝胶法制备Ba-Al-B-Si-O玻璃,简写作SG,根据球磨时间的调节得到D50分别为6.1μm、2.2μm和0.6μm的3种不同颗粒尺寸的玻璃粉体,分别简写作SG1、SG2和SG3。通过对各玻璃添加剂改性SrTiO3陶瓷的烧结性能、结构及相关介电性能进行对比,最终选择SG2作为SrTiO3基储能陶瓷的玻璃添加剂。 探讨了SrTiO3基储能陶瓷的电学结构与介电性能的内在相关性。通过交流阻抗与介电性能测试,发现SrTiO3陶瓷的绝缘性能主要来源于晶界,并且陶瓷内部晶粒与晶界之间存在界面极化。在SG2添加改性SrTiO3陶瓷中,添加剂分布于陶瓷晶界中,提高了陶瓷整体的绝缘性能,最终改善了陶瓷的储能性能;同时,添加剂的引入也会增强陶瓷内部的界面效应,影响陶瓷的介电性能。 采用+3价稀土Pr元素掺杂改性SrTiO3陶瓷,以PrxSr1-xTi03为陶瓷组分,通过固相法获得常温1kHz介电常数在310~4750范围内的陶瓷介质材料,当x=0.0100时,陶瓷体系具有最高的介电常数4750。介电性能测试结果表明,陶瓷在-150~450℃范围内存在多个介电弛豫现象,证实其内部存在缺陷极化机制。同时,交流阻抗谱分析结果表明,在一些具有高介电常数(103数量级)的陶瓷样品内部存在着半导化晶粒、绝缘中间区域和绝缘晶界3种电学区域,证实其内部存在界面极化机制。 探讨了氧空位与Pr掺杂SrTiO3陶瓷内部极化机制的内在联系。在1100℃空气气氛下对Pr掺杂SrTiO3陶瓷组分样品进行热处理,并考察热处理后陶瓷的介电弛豫特性及电学结构的变化。结果表明,陶瓷在-150~450℃范围内的各介电弛豫现象均对应陶瓷内部氧空位形成的缺陷偶极子极化;同时,氧空位电离对陶瓷晶粒的半导化也有着较大贡献,其显著增强了陶瓷内部的界面极化。因此,Pr掺杂SrTiO3陶瓷内部存在氧空位是其介电常数提高的主要原因。 在PrxSr1-xTi03陶瓷体系中选取介电常数最高的x=0.0100组分,记作PSTO陶瓷体系。在陶瓷中引入SG2添加剂,优化其电学结构,可以明显改善了陶瓷的绝缘性能;同时,SG2添加剂的引入可显著降低PSTO陶瓷的介电损耗。当SG2添加剂含量为20vol.%时,陶瓷具有较优的介电性能:在常温1kHz频率下的介电常数和介电损耗分别为514和0.008,直流电阻率为6.231×109Ω·cm。


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