钛酸铋钠基铁电陶瓷的电性能和储能性能研究

来源 :陕西师范大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:aaajansen
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近年来,随着功率脉冲技术在工业、军事和民用范围的应用日益广泛以及电动力汽车行业的蓬勃发展,人们对电介质电容器的需求日益增多,因而具备高储能密度且环境友好的电介质陶瓷成为研究人员的热门课题。本文选取钛酸铋钠基陶瓷材料作为研究目标,通过引入新的组元后,系统探索样品的相结构变化过程并分析电学性能的变化,揭示了陶瓷相结构变化对其性能的影响,致力于开发具有较高储能性能和储能效率的陶瓷材料。本文研究得到的主要结论如下:通过固相埋烧法在1150℃成功烧结制备了位于BNT-BKT-BT三元体系准同相界区的一系列(1-y)(Na1-xKx)0.5Bi0.5TiO3-yBaTiO3陶瓷,通过分析样品的X射线衍射图谱和拉曼图谱,发现随着钛酸铋钾和钛酸钡含量的上升,四方相含量逐渐增大,呈现从三方相向四方相逐步过渡且两相共存的相结构。通过对介电和铁电性能测试,位于准同相界区的陶瓷组分具有更为优异的介电和铁电性能。本研究的一系列组分中,x=0.18且y=0.06的陶瓷样品有最佳的电学性能:εr=3557,tanδ=0.06。在准同相界区的陶瓷组分具有较好的弛豫特征,电滞回线较为细长,有效储能密度也有所提高。在所有组分中,x=0.22,y=0.06的组分具有最佳的储能性能,Wrec=0.42J/cm3,储能效率为 27.8%。系统的研究了在BNKT基陶瓷中引入第三组元BiMeO3后对相结构、微观形貌、电学性能和储能性能的影响。研究结果表明通过在主晶相均为钙钛矿结构陶瓷的B位引入了离子半径大于钛离子的Me离子团(Zn2/3Nb1/3)3+和(Mg2/3Nb1/3)3+,使得陶瓷内的晶格发生畸变。X射线衍射图谱和拉曼图谱的测试结果显示,随着引入的Me离子团含量的增大,陶瓷的相结构由三方相向对称度更高的伪立方或四方相转变,陶瓷的介电常数不断降低,介电峰也不断宽化。(1-x)BNKT-xBZN陶瓷具有较为优异的储能性能,电滞回线呈现出细长的形状,对x=0.08的组分,陶瓷的击穿场强可以达到110kV/cm,最大极化强度和剩余极化强度的差值为ΔP=26.3μC/cm2,有效储能达到Wrec=1.10J/cm3,其总储能的值为1.97J/cm3,储能效率可以达到η=55.9%。(1-x)BNKT-xBMN陶瓷的储能性能进一步提升,对x=0.08的组分,陶瓷的击穿场强可以达到110V/cm,最大极化强度和剩余极化强度的差值ΔP为28.8μC/cm2,其总储能的值为2.21J/cm3,陶瓷的有效储能达到Wrec=1.23/cm3,储能效率可以达到η=55.6%。同时铌镁酸铋含量为0.14和0.16的两个组分也具有很高的储能性能,其击穿场强达到了 120kV/cm,Wrec分别为1.14J/cm3和1.18J/cm3。
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