SrTiO3-MgO储能陶瓷的结构与介电性能研究

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储能陶瓷的性能很大程度上依赖于陶瓷的显微结构和电学结构。SrTiO3陶瓷作为高储能密度陶瓷有良好的应用背景,但SrTiO3陶瓷的显微结构、电学结构及储能性能之间关系的报道较少,变化关系尚不明确。因此本文以SrTiO3陶瓷为研究对象,开展了以下工作:(1)采用固相法制备SrTiO3+xwt%MgO陶瓷(x=0,0.5wt%,1.0wt%,4.0wt%,10.Owt%,20.Owt%),改变MgO与SrTiO3的相对含量,研究其对陶瓷物相、显微结构、介电性能、电学结构的影响以及它们之间的关系。XRD表明固相法制备的SrTiO3+xwt%MgO陶瓷x<1.Owt%时,体系为单相结构;当x>1.Owt%时,陶瓷以钙钛矿的SrTiO3和盐石结构的MgO两相形式存在。x从0增大到20.Owt%,MgO相存在于SrTiO3晶粒形成的三角晶界处,陶瓷平均晶粒尺寸由3.28μ m减小到0.75p m,陶瓷室温介电常数也由300.01减小到162.02,介电损耗维持在0.003以下,室温介电常数满足良好的频率稳定性和偏压稳定性。陶瓷高温介电弛豫是由热激活的界面极化弛豫引起,但Mg2+溶入SrTi03晶格改变了陶瓷的弛豫控制机制。(2)陶瓷电学结构由电学性能差异巨大的晶粒区和晶界区两部分构成,陶瓷绝缘性能主要来源于晶界区域的贡献。x=0的陶瓷晶粒内部电导激活行为由氧空位扩散控制;当x>0时,陶瓷的晶粒内部电导激活行为由氧空位的二级电离控制。随着MgO含量增加,晶界电导激活能先减小后增大;当x=1.Owt%时,晶界电导激活能较小,界面处电荷易于在外电场作用下重新分配,击穿场强最高,可达197.30kV/cm,储能密度达到最大值0.89J/cm3。(3)鉴于固相法制备陶瓷的结论,采用粉末sol-gel包覆法制备了SrTiO3+xwt%MgO陶瓷(x=4.0wt%,10.Owt%),期待改善陶瓷MgO相与SrTiO3相之间的显微结构和电学结构,优化电介质陶瓷的储能性能,并与采用固相法制备的陶瓷的结果比较,得出以下结果:采用粉末sol-gel包覆法制备的粉体TEM表明MgO能较好的包覆在SrTiO3颗粒表面;陶瓷SEM表明MgO相在陶瓷中分布更均匀,晶粒尺寸在1μm以下,改善了显微结构,晶粒与晶界处的电学差异减小,晶界电导激活能减小,x=4.0wt%的击穿场强可达209.37kV/cm,相应有效储能密度0.82J/cm3。
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