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BaTiO_3-BiMeO_3基储能陶瓷的制备与性能研究

【摘要】:随着脉冲功率技术向高重复频率脉冲功率、小型化和高可靠方向发展,脉冲电容器作为脉冲功率技术中的核心储能元件则需要具备更高的储能密度和功率密度。介质材料作为脉冲电容器的核心部件,它直接决定了脉冲电容器的性能。陶瓷介质材料由于其超高的功率密度、快速充放电能力、较宽的温度和频率使用范围以及高循环寿命等特点被认为是最佳的储能介质材料。但目前陶瓷介质材料所展现出来的储能密度仍相对较低。因此,开发具有更高储能密度和能量效率的储能陶瓷材料是实现脉冲功率系统小型化和集成化的当务之急。BaTiO3基陶瓷由于其较高的介电常数和极化强度被广泛研究其在储能方面的潜力。本文选用BaTiO3作为研究对象,通过成分改性致力于开发一种具有高储能密度和能量效率的储能陶瓷材料。具体研究内容如下:1.在所研究的组成范围(0.04~0.20)内,Bi(Zn1/2Zr1/2)O3可与BaTiO3完全固溶,形成了单一的钙钛矿结构。对XRD进行精修和Raman光谱分析表明,Bi(Zn1/2Zr1/2)O3的掺入使BaTiO3从四方相转变为赝立方相,Bi3+和(Zn0.5Zr0.5)3+分别进入BaTiO3基体中的A,B位。介电温谱测量表明,当x ≥ 0.08时(1-x)BaTiO3-xBi(Zn1/2Zr1/2)O3陶瓷从典型的铁电行为转变为介电弛豫行为。随着Bi(Zn1/2Zr1/2)O3含量的增加,介电常数的温度稳定性逐步提高。(1-x)BaTiO3-xBi(Zn1/2Zr1/2)O3陶瓷的极化响应也相应的从铁电响应过渡为弛豫铁电响应,从而提高了储能性能。在100 kV/cm的电场条件下,x=0.12具有最佳的可释放能量密度0.76 J/cm3和能量效率98.0%2.采用Bi(Ni1/2Zr1/2)O3和(1-x)BaTiO3复合制备的陶瓷,通过XRD和TEM分析,该体系在研究范围(0.08~0.16)内为赝立方结构,无任何杂相生成,表明Bi(Ni1/2Zr1/2)O3可与 BaTiO3固溶。(1-x)BaTiO3-xBi(Ni1/2Zr1/2)O3陶瓷的温度稳定性随着Bi(Ni1/2Zr1/2)O3含量的增加而得到了提高。当x=0.14时,其容温特性可满足EIA-X7R标准。同时,该组分还具有优异的储能性能,当电场为220 kV/cm时,可释放能量密度可达1.7 J/cm3,同时具有超高的能量效率94.0%。3.将Bi(Ni1/2Sn1/2)O3掺入 BaTiO3 中使(1-x)BaTiO3-xBi(Ni1/2Sn1/2)O3陶瓷的晶体结构从四方相转变为赝立方相,且晶格常数随着x的增加而增加,表明Bi3+和(Ni1/2Sn1/2)3+分别进入了 BaTiO3基体晶格中的A位和B位,从而导致(1-x)BaTiO3-xBi(Ni1/2Sn1/2)O3从典型的铁电体转变为弛豫铁电体,提升储能性能。最终0.9BaTiO3-0.1Bi(Ni1/2Sn1/2)O3弛豫铁电陶瓷呈现出最优的储能性能:高的可释放能量密度2.52 J/cm3和超高的能量效率93.8%的,以及优异的温度稳定性(-55~150℃)和频率(10~1000 Hz)稳定性。此外,充放电测试表明0.90BaTiO3-0.10Bi(Ni1/2Sn1/2)O3的放电周期为0.18μs,功率密度达到19 MW/cm3。4.同样地,Bi(Mg1/2Sn1/2)O3掺入BaTiO3也使其结构从四方相转变为赝立方相。此外,Bi(Mg1/2Sn1/2)O3有效的抑制了晶粒生长,当其含量超过2 mol%就可使平均晶粒尺寸减小至1μm左右。而且随着Bi(Mg1/2Sn1/2)O3含量的增加,(1-x)BaTiO3-xBi(Mg1/2Sn1/2)O3陶瓷的绝缘电阻率不断提升,而漏电流则逐渐减小,有效的提升了击穿场强。以及A,B位的同时取代,使长程铁电有序遭到破坏,(1-x)BaTiO3-x Bi(Mg1/2Sn1/2)O3陶瓷从铁电体转变至弛豫铁电体,降低了剩余极化和极化响应的非线性,从而使储能密度得到提升。在x=0.12处获得最佳的储能性能:可释放能量密度为2.25 J/cm3,能量效率94.0%。此外,该组分也具有优异的频率(10~1000 Hz)稳定性和温度(-55~150℃)稳定性。相比于 0.90BaTiO3-0.10Bi(Ni1/2Sn1/2)O3陶瓷,0.88BaTiO3-0.12 Bi(Mg1/2Sn1/2)O3具有更高的功率密度 27.7 MW/cm3。5.Bi(Mg2/3Ta1/3)O3可与BaTiO3有效固溶,并使其晶体结构从四方相转变为赝立方相。在采用Bi(Mg2/3Ta1/3)O3与BaTiO3固溶制备的陶瓷中,随着Bi(Mg2/3Ta1/3)O3含量的增加,陶瓷的晶粒尺寸迅速变小,当x ≥ 0.03时,平均晶粒尺寸降至1 μm以下,对击穿场强做出贡献,当x=0.20时击穿场强可达391 kV/cm。当Bi(Mg2/3Ta1/3)O3的含量超过5 mo1%时,(1-x)BT-x Bi(Mg2/3Ta1/3)O3陶瓷从典型的铁电体转变为弛豫铁电体,改善了介电性能的温度稳定性和储能性能。当x=0.13时,呈现出良好的介电温度稳定性和最优的储能性能:容温变化率可满足EIA-X7R标准;室温下的可释放能量密度可达3.04 J/cm3,而且还具有超高的能量效率95.6%。同时,该组分的可释放能量密度和能量效率具有优异的频率(10~1000 Hz)和温度(-55~150℃)稳定性,在测试范围内的变化率不超过8%。此外,该组分也表现出快速的放电性能,其电流密度和功率密度可达654 A/cm2和39.3 MW/cm3。

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