钛酸铋钠基无铅铁电厚膜材料的制备及储能行为研究

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含铅铁电储能电容器虽然在实际生活中广泛利用,但铅的使用会严重污染环境和危害人类的健康。因而,研发新型无铅铁电大容量储能电容器具有重要的社会意义。本研究工作聚焦于以PVP改性的Sol-gel法制备 Na0.5Bi0.5TiO3(NBT)基无铅铁电厚膜并研究其储能行为。其主要内容和研究结果如下:  通过 PVP改性的 Sol-gel技术配制了钛酸铋钠溶胶,并成功制备了无铅体系的(Na0.5Bi0.5)TiO3铁电厚膜。最终确定,钛酸铋钠无铅铁电厚膜的铋钠元素的过量比调为10mol%,预处理温度和晶化温度分别确定为410℃和750℃,得了储能密度为14.1J/cm3的纯NBT无铅铁电厚膜。  详细研究了Ba2+、K+和Sr2+对NBT无铅铁电厚膜A位掺杂的相结构、微观形貌、介电性能、储能行为和漏电流的影响。研究结果表明:适量的 Ba2+的掺杂,能够有效地降低漏电流, NBT-6BT无铅铁电厚膜拥有大的储能密度15.6J/cm3和高的储能效率44.2%;与Ba2+掺杂NBT无铅铁电厚膜相比,K+掺杂能够更有效地提高NBT无铅铁电厚膜的击穿场强(BDS)和Pmax-Pr的差值,在NBK-15BKT无铅铁电厚膜场强2105kV/cm下的储能密度达到26.6J/cm3和相应的储能效率为32.6%;对比Ba2+和K+的掺杂,我们发现 Sr2+的掺杂的 NBT无铅铁电厚膜拥有最大的 Pmax-Pr的差值61μC/cm2,同时NBT-5ST无铅铁电厚膜在1910kV/cm的场强下获得了最大的储能密度36.9J/cm3和大的储能效率41.2%,并且拥有优良的温度和频率稳定性,在场强为500kV/cm下,获得了较小的漏电流密度1.93×10-5A/cm2。
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