论文部分内容阅读
储能电介质陶瓷材料是用于制作电容器和其他介质器件的关键材料,也是广泛应用于通讯、汽车、电子电路设备以及军工等当代很多领域中的基础性功能材料。目前商用的电介质陶瓷大多以含有对人体和环境有害的铅元素的铅基反铁电陶瓷为主,而环境友好型的无铅电介质陶瓷的储能性能整体较为低下。在现如今不可再生资源日渐枯竭与环境污染日益严重的大环境下,开发出具有高性能、且对环境与人体无害的无铅储能电介质陶瓷材料已经成为一项无比重要且迫切的研究课题。本论文致力于改善无铅电介质陶瓷材料的储能特性,并对其相关性能进行综合分析。利用传统固相法制备(1-x)(Na0.5Bi0.5)0.7Sr0.3TiO3-xSr(Ti0.85Zr0.15)O3 储能陶瓷(简记为(1-x)NBST-xSTZ)并进行系统分析。结果显示,通过引入线性添加剂STZ,有效地抑制了 NBST陶瓷的剩余极化强度和提高了击穿场强,使得0.70NBST-0.30STZ陶瓷在262 kV·cm-1电场下展示出较大的可恢复储能密度(Wrec=3.13 J·cm-3)和超高的储能效率(η=91.14%)。还通过对其能带结构和态密度的分析,揭示了击穿场强提高的潜在原因。此外,在200 kV·cm-1电场下还获得了极好的温度稳定性(20 ℃-140 ℃)和频率稳定性(1 Hz-200 Hz)。更重要的是,0.70NBST-0.30STZ陶瓷在充放电测试中还展示出41.24 MW·cm-3的超高功率密度(PD)、极短的放电时间(t0.9=125.6 ns)和优异的温度稳定性(20℃-120℃)。利用传统固相法制备(1-x)(Na0.5Bi0.5)0.7Sr0.3TiO3-xBi(Mg2/3Nb1/3)O3储能陶瓷(简记为(1-x)NBST-xBMN)并进行系统分析。分别利用(1-x)NBST-xBMN体系中晶粒的细化和Bi3+的6s2孤对电子构型的引入来实现储能密度和储能效率的同步提高。结果,在0.85NBST-0.15BMN陶瓷中同时获得了 3.45 J·cm-3的巨大可恢复储能密度和88.01%的高效率,这优于最近报道的其他无铅介质陶瓷材料。同时,在200 kV·cm-1电场下还获得了优异的温度稳定性(30℃-150℃)和频率稳定性(1 Hz-100 Hz)。此外,0.85NBST-0.15BMN陶瓷在120 kV·cm-1电场下,也展示出了突出的功率密度(PD=38.47 MW·cm-3)和超快的放电速率(t0.9=52.8 ns)。利用传统固相法制备(1-x)(Na0.5Bi0.5)0.7Sr0.3TiO3-xBi(Ni0.5Sn0.5)O3 储能陶瓷(简记为(1-x)NBST-xBNS)并进行系统分析。结果显示,一个显著增强的可恢复储能密度(Wrec=4.18 J·cm-3)伴随着一个与其他无铅得到介电陶瓷相比还较为满意的储能效率(η=83.64%)能够在0.90NBST-0.10BNS陶瓷中于270 kV·cm-1电场下同时获得,这是由于BNS的引入增强了击穿场强和抑制了剩余极化强度导致的。一阶反转曲线(FORC)测试结果表明,BNS的添加优化了陶瓷的结构和化学成分,打破了长程铁电秩序,提高了 NBST陶瓷的弛豫性。此外,0.90NBST-0.10BNS陶瓷的能量密度和能量效率分别在20℃-140℃和1 Hz-100 Hz范围内也具有显著的温度稳定性和频率稳定性。更重要的是,0.90NBST-0.10BNS陶瓷在120 kV·cm-1电场下表现出优异的功率密度(PD=36.19MW·cm-3)、瞬态的能量释放时间(t0.9=144.2ns)和巨大的放电能量密度(1.16 J·cm-3)的放电特性。利用传统固相法制备(1-x)(Na0.5Bi0.5)0.7Sr0.3TiO3-xBi(Mg0.5Zr0.5)O3 储能陶瓷(简记为(1-x)NBST-xBMZ)并进行系统分析。结果显示,BMZ的引入提高了 NBST陶瓷的击穿场强和减小了其剩余极化强度值,使最优组分0.85NBST-0.15BMZ陶瓷在297kV·cm-1电场下取得一个4.48 J·cm-3的超高可恢复储能密度和一个与其他无铅得到介电陶瓷相比还较为满意的83.3%的储能效率。此外,0.85NBST-0.15BMZ陶瓷的能量密度和能量效率分别在30℃-150℃和1 Hz-100 Hz范围内也具有显著的温度稳定性和频率稳定性。更重要的是,0.85NBST-0.15BMZ陶瓷在120 kV·cm-1电场下也展示出了突出的功率密度(PD=33.9 MW·cm-3)、极短的放电时间(t0.9=87.4 ns)和巨大的放电能量密度(Wd=0.63J·cm-3)的放电特性。