铅基反铁电多层陶瓷电容器制备及储能行为研究

来源 :内蒙古科技大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:kpyuy
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随着对能源,经济和社会可持续发展关注的逐渐增加,储能材料引起人了们极大的研究兴趣。多层陶瓷电容器(MLCC)由于其高功率密度,低驱动电压和快速的充电/放电速率而备受关注。但是,多层陶瓷电容器的储能密度一般较低,从而限制了他们在实际中的应用,而提高其储能性能的核心主要在于高储能密度介质材料的研发。反铁电材料(AFE)由于其独特的相变电场、低的剩余极化与高击穿强度等优点,有望获得较高的储能密度。本文以锆酸铅基(PbZrO3)反铁电材料为研究对象,采用流延工艺制备反铁电陶瓷,对其微观结构、介电响应、储能表现和放电性能进行了系统研究,并且对储能表现最佳的组分通过印刷电极、叠层等进行多层化,其目的是制备出高储能密度的多层陶瓷电容器。首先制备(Pb0.98La0.02)(Zr0.9Sn0.1)0.995O3陶瓷,在粉体中加入PbO-B2O3-SiO2玻璃粉作为助烧剂来增加陶瓷的致密度。为了提高陶瓷的储能密度,通过Sr2+掺杂(Pb0.98-xLa0.02Srx)(Zr0.9Sn0.1)0.995O3陶瓷来提高反铁电相的稳定性。研究发现,Sr2+的加入导致了多重相变的出现,并且提高了陶瓷相转变电场和介电击穿。当Sr2+掺杂量为4%时,通过电滞回线计算得到陶瓷的储能密度为11.2 J/cm3,储能效率为82.2%;并且在电阻-电感-电容(R-L-C)回路中,最大放电储能密度为8.6 J/cm3,仅在185 ns的时间内释放其90%的能量,显示出快速的放电性能。其次,结合上述的实验结果,进行了多层陶瓷电容器的研究。发现在降低流延膜的厚度时,PbO-B2O3-SiO2玻璃粉的加入会导致流延厚膜致密性下降,从而导致多层电容器击穿强度显著降低。结合以上的因素,不掺杂玻璃粉的(Pb0.98La0.02)(ZrxSn1-x)0.995O3反铁电陶瓷被制备。Zr/Sn的增加有效地增加了陶瓷的饱和极化和反铁电-铁电相转变电场。当Zr/Sn=7/3时,陶瓷的储能密度为10 J/cm3,储能效率为83%。基于上述结果,制备了(Pb0.98La0.02)(Zr0.7Sn0.3)0.995O3多层陶瓷电容器。在560 kV/cm场强下,多层陶瓷电容器的储能密度为12.6 J/cm3,储能效率为80%。最后,为了进一步提高多层陶瓷电容器的储能性能,(Pb0.98-xLa0.02Cax)(Zr0.9Sn0.1)0.995O3反铁电陶瓷被制备,通过Ca2+的掺杂来增加陶瓷击穿强度和相转变电场。当Ca2+掺杂量为4%时,陶瓷储能密度为11 J/cm3,储能效率为88.2%。基于上述结果,制备了(Pb0.94La0.02Ca0.04)(Zr0.9Sn0.1)0.995O3多层陶瓷电容器。在650 kV/cm电场下,计算得理论储能密度为16 J/cm3,储能效率为83.2%。高储能表现的反铁电多层陶瓷电容器有希望在高功率脉冲电容器中发挥潜在的应用。
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