论文部分内容阅读
随着脉冲功率技术在航空航天、混合动力汽车以及超深石油钻井等领域的高速发展,对储能介质电容器提出了高能量密度、高温度稳定性和高可靠性的要求。然而,储能介质电容器的性能主要取决于所使用的储能介质材料,因此设计与制备具有优异的综合储能性能的电介质材料是应对这一要求的重要环节。Bi0.5Na0.5TiO3(简称为BNT),是一种具有ABO3型钙钛矿结构的铁电体材料,其介温谱表现出双介电峰的结构,在Td和Tm的温度范围内形成的平坦的介电常数平台有利于宽温介温稳定性的获得,同时也会带来更宽的应用温度范围。此外,BNT还表现出较高的介电常数(600)和饱和极化强度(38μC cm-2),因而被广泛用于储能介质材料的研究之中。本论文以Bi0.51Na0.47TiO3为主要研究对象,选取具有较强弛豫特性的陶瓷端元Ba(Zr0.3Ti0.7)O3与BNT形成固溶体,一方面向BNT基体中引入弛豫性,另一方面提高陶瓷体系的击穿强度,得到了兼具高储能密度和高储能效率的BNT-BZT100x陶瓷。其中,当BZT的固溶量为35 mol%时,BNT-BZT35陶瓷(样品厚度为0.12 mm)表现出250 kV cm-1的平均击穿强度,远高于BNT基体(180 kV cm-1);在260 kV cm-1的场强下,同时实现了2.8 J cm-3的最大储能密度和91%的高储能效率;具有较快的放电速度、良好的温度稳定性和疲劳耐久性。为了进一步提高BNT-BZT35陶瓷的最大极化强度(在260 kV cm-1的场强下为29μC cm-2),选取稀土元素La对BNT-BZT35陶瓷进行掺杂改性制备一系列BB35-100yLa陶瓷,提高了材料的介电常数,进而得到更高的最大极化强度(31.8μC cm-2)。其中,当La的掺杂量为4 mol%时,BB35-4La陶瓷(样品厚度为0.12 mm)在260 kV cm-1的场强下,同时实现了3.2 J cm-3的最大储能密度和86%的储能效率;同样具有较快的放电速度、良好的温度稳定性和疲劳耐久性。为了在提高BNT-BZT35陶瓷储能密度的同时实现更高的储能效率,并解决La掺杂的BNT-BZT35陶瓷在高电场强度下储能效率减小的问题,选取元素Nb对BNT-BZT35陶瓷进行掺杂改性制备一系列BB35-100zNb陶瓷,将退极化温度进一步降低至室温附近,从而实现在常温条件下反铁电相的稳定。其中,当Nb的掺杂量为1 mol%时,BB35-1Nb陶瓷(样品厚度为0.12 mm)表现出较低的退极化温度(Td73°C);在280 kV cm-1的场强下,同时实现了3.2 J cm-3的最大储能密度和93%的接近理想的储能效率;同样具有较快的放电速度、良好的温度稳定性和疲劳耐久性。