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SrTiO3作为一种重要的储能介质材料,具有击穿强度高,介电损耗低等优点,在高储能密度材料的研究方面极具潜力。在保持SrTiO3的低介电损耗的基础上,提高它的介电常数和击穿强度,就能提高其储能密度。一般来看,稀土掺杂功能陶瓷后,能改变其微观结构,相结构,烧结性能,电学性能以及力学性能等。
本论文选取稀土元素Ce和Nd作为掺杂元素,对SrTiO3进行掺杂改性,旨在提高其介电常数和击穿强度,同时研究了材料结构和性能之间的关系。
本论文通过固相法制备出Sr1-xCexTiO3基储能介质陶瓷,研究了CeO2掺杂量的变化对Sr1-xCexTiO3基陶瓷体系烧结性能,晶体结构及显微结构,介电性能,耐压性能等方面的影响。实验结果表明,CeO2在Sr1-xCexTiO3基陶瓷中的固溶度约为0.06。当0≤x≤0.04时,体系能形成置换型固溶体,陶瓷晶粒尺寸逐渐减小,体系击穿强度逐渐增大;当0.06≤x≤0.14时,体系中析出CeO2第二相,陶瓷晶粒尺寸逐渐增大,体系击穿强度逐渐减小。我们还对Sr1-xCexTiO3基陶瓷的介电性能进行了研究,研究结果表明,随着CeO2掺杂量的增加,陶瓷的介电常数和介电损耗呈现出先增大后减小的规律,其中,当掺杂量x从0.06增大到0.07时,陶瓷的介电常数从827急剧增大到3300,介电损耗从4.2%增大到15%,这可能是由于Sr1-xCexTiO3基陶瓷中出现的第二相在晶粒表面形成了阻挡层结构所致。此外,该陶瓷体系的高温介电弛豫属于由热激发引起的介电弛豫。当x=0.04时,Sr1-xCexTiO3基陶瓷能获得最优介电性能:ε≈500,tanδ≈0.8%,Eb≈176kV/cm。
我们还研究了Sr0.9-xCexNd0.1TiO3基储能介质陶瓷(x=0,0.005,0.01,0.015,0.02,0.04)的烧结性能,晶体结构及显微结构,介电性能,耐压性能随着CeO2掺杂量x的变化规律。实验结果表明,在掺杂范围内,Sr0.9-xCexNd0.1TiO3基陶瓷均能形成单相结构,陶瓷的击穿强度与晶粒尺寸有关,当0≤x≤0.005时,陶瓷的晶粒尺寸逐渐变小,击穿强度逐渐增大;当0.01≤x≤0.04时,陶瓷的晶粒尺寸逐渐变大,击穿强度逐渐减小。介电性能研究表明,Sr0.9-xCexNd0.1TiO3基储能介质陶瓷的介电常数和介电损耗呈现出先增大后减小的规律,介电常数和晶粒尺寸之间的对应关系符合晶界层电容器的规律。我们认为,当x=0时,Sr0.9Nd0.1TiO3晶粒表面本身就存在着阻挡层结构,CeO2加入后,引起了陶瓷晶粒尺寸的变化,从而导致了体系介电常数的变化。