锆钛酸铅基厚膜陶瓷的制备及储能性能和电卡效应的研究

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铁电体(FE)、反铁电体(AFE)在储能、电卡制冷等领域具有重要的地位。基于锆钛酸铅厚膜陶瓷相对块体陶瓷具有更高的击穿电场,本文选择锆钛酸铅厚膜陶瓷体系为基础研究了厚膜陶瓷的制备工艺和储能性能。由于锡酸铅(Pb Sn O3)在热动力学上的特殊性,在原厚膜陶瓷基础上引入Sn4+,研究了高锡含量的锆锡钛酸镧铅(PLZST)、锆锡酸镧铅(PLZS)体系厚膜陶瓷的制备工艺、储能性能和电卡效应。通过传统固相法合成锆钛酸铅(Pb Zr Ti O3(PZT))陶瓷粉体,经流延成型得到厚膜生坯,烧结后得到约50μm的不同钛含量的Pb Zr1-xTixO3(x=0.45、0.48、0.50、0.55)厚膜陶瓷。研究了Pb Zr1-xTixO3中不同钛含量对介电性能和铁电性能的影响。计算了不同电场和温度下的储能密度。结果表明,当钛含量处于准同型相界(MPB)48mol%附近时,厚膜陶瓷具有最大极化强度和介电常数。在24 MV/m电场下,Pb Zr0.45Ti0.55O3组分最大储能密度为1.79 J/cm3。在PZT基础上引入Sn4+,在低Ti4+mol%区厚膜陶瓷为反铁电相。利用流延工艺制备出Pb0.97La0.02(Zr0.46-xSn0.54Tix)O3(x=0.04、0.06、0.08、0.15、0.18)厚膜陶瓷。研究了不同Ti含量厚膜陶瓷极化性能、介电性能的影响。结果表明,Ti4+含量降低有利于提高反铁电相的稳定性,降低介电常数。在Ti4+增加至15 mol%、18 mol%,厚膜陶瓷由之前的反铁电相转变为铁电相。Pb0.97La0.02(Zr0.42Sn0.54Ti0.04)O3厚膜陶瓷的耐击穿电场可达60 MV/m,储能密度最大值为5.2 J/cm3,储能效率为78%。通过Maxwell关系估算其电卡效应,得到在居里温度附近绝热温变值ΔTmax=2.47℃。最后,制备出B位二元体系Pb0.97La0.02(Zr1-xSnx)O3(x=0.30、0.35、0.40、0.45、0.50)厚膜陶瓷,研究了Sn4+对极化性能、转变电场的影响。详细研究了Pb0.97La0.02(Zr0.50Sn0.50)O3厚膜陶瓷中的FE(I)、FE(II)、及AFE相,及其转变关系。得到FE(I)相存在温度低于70℃,且温度越低FE(I)相越稳定。在室温下AFE-FE(I)-FE(II)相转变电场分别为23 MV/m、32.2 MV/m,且温度越低转变电场越高。Pb0.97La0.02(Zr0.50Sn0.50)O3厚膜陶瓷储能密度最大值为8.9 J/cm3,储能效率为86%,在90℃时,陶瓷的储能效率可达93.3%。根据Maxwell关系估算Pb0.97La0.02(Zr0.50Sn0.50)O3厚膜陶瓷的电卡效应。对厚膜陶瓷施加电场26 MV/m时,计算绝热温变值ΔTmax=-9.8℃,表明此成分厚膜陶瓷具有较好的负电卡效应。
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