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钛酸锶铅铋基储能陶瓷材料晶界结构与介电性能研究

王德彬  
【摘要】:陶瓷储能介质材料以较高的放电功率密度和较好的工作稳定性等优点非常适合作为脉冲功率设备的储能器件。(Sr,Pb,Bi)TiO_3(SPBT)介质陶瓷具有较高的放电功率密度、高放电效率、较高的介电常数以及低介电损耗。本文在SPBT介质陶瓷的研究基础上,通过改变改性剂,制备了不同晶界结构的SPBT基介质陶瓷,绕着晶界结构这个核心问题,对材料的介电性能展开了系统性的研究。改性剂对SPBT基介质陶瓷晶界结构的影响。通过低温烧结与Bi_4Ti_3O_(12)(BIT)改性制备了SPBT相与Pb_3Bi_4Ti_6O_(21)(PBT)相共存的(1-x)Sr_(0.7)Pb_(0.15)Bi_(0.1)TiO_3-xBi_4Ti_3O_(12)((1-x)SPBT-xBIT)复相陶瓷,PBT相比SPBT具有完全不同的结构性质,它的出现降低了材料的晶界密度,增加了材料中的铁电宏畴密度。通过高温烧结与Bi_(0.5)Na_(0.5)TiO_3(BNT)改性制备了单相的(1-x)Sr_(0.7)Pb_(0.15)Bi_(0.1)TiO_3-x Bi_(0.5)Na_(0.5)TiO_3((1-x)SPBT-xBNT)介质陶瓷,BNT的掺入改变了晶粒的元素成分,增强了晶界的绝缘性。同时由于元素成分的变化,晶界结构随之改变,微畴消失,导致了电畴结构的变化。晶界结构对材料耐压场强的影响。降低材料晶粒尺寸有利于提高其晶界密度,但研究发现这也会导致明显的界面极化效应,使材料的耐压场强降低。通过BIT掺入可降低晶界密度及空间电荷浓度,可有效降低界面极化效应的影响。研究发现BNT掺入使SPBT晶界的绝缘性增强,可有效提高材料的耐压场强。但BNT掺入会导致铅铋化合物的析出,对材料的介电性能造成了不利影响。晶界结构对材料介电温度特性的影响。BIT与BNT都具有较高的居里温度,研究发现BIT或BNT掺杂可使材料的居里峰移动、展宽,达到降低-电容温度变化率的效果。通过对比高低温烧结的SPBT陶瓷可发现,降低材料的晶粒尺寸可有效增加晶界间的内应力,降低材料的电容-温度变化率。晶界结构对材料储能特性的影响。BIT掺入导致了(1-x)SPBT-xBIT陶瓷中宏畴的密度增加,材料的铁电性增强。在(1-x)SPBT-xBNT陶瓷中,BNT掺入改变了材料的晶界结构,微畴消失,材料的宏畴密度增加,材料的反铁电性增强。由于铁电宏畴密度增加,畴壁重新取向将消耗更多的能量,导致材料的介质损耗增大,放电效率降低。同时,BNT掺入还可有效增加材料的储能密度。


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