BNT-BT基陶瓷的制备工艺及储能性能

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介电储能陶瓷材料具有能量密度高及充放电快等优点,被认为是脉冲功率储能电容器的优秀候选材料。目前应用的储能材料大多含有有害元素铅,使其实际应用受到阻碍。因此,开发具有高储能密度的无铅介电储能陶瓷材料成为当前研究热点。钛酸铋钠(BNT)基陶瓷大的饱和极化强度(Ps~40μC/cm2)和高的介电常数(~800)非常有利于能量存储。想要提高陶瓷储能密度,降低其剩余极化强度、提高耐压值(Eb)是目前亟待解决的问题。本论文采用固相烧结法制备BNT基陶瓷,研究A位Bi、Na离子占比及第三组元Ag NbO3(AN)和Sr TiO3(ST)固溶对BNT基陶瓷相结构、晶粒尺寸、介电、铁电和储能性能的影响。采用固相烧结法制备了纯钙钛矿结构0.94(Bi0.5+xNa0.5-x)TiO3-0.06Ba TiO3(BNT-BT)无铅陶瓷。随x值增加,介电异常峰所对应的温度Ts逐渐从180℃降至室温附近,且介电常数温度稳定性增加。P-E曲线测试表明:陶瓷的饱和极化强度Ps先增大后减小,剩余极化强度Pr非线性降低,陶瓷表现出类似于反铁电的双电滞回线,有效提高了能量存储性能。x值的增加引起陶瓷晶粒尺寸的逐渐减小,晶粒尺寸由1.09μm降低到0.78μm,陶瓷耐压强度Eb显著增强。介电频谱显示:随x从0增加到0.035,陶瓷的介电常数从最初的655增加到1880,暗示了储能密度性能的提升,这一点与储能密度的计算相一致。当x=0.035,1130℃-2 h烧结的BNT-BT陶瓷有效储能密度最大(Wrec=1.137 J/cm3),对应储能效率η=60.7%。采用固相法烧结制备了(1-x)[0.94(Bi0.535Na0.465)TiO3-0.06Ba TiO3]-x Ag NbO3(BNT-BT-AN)无铅陶瓷。SEM测试结果表明:随着第三组元Ag NbO3的引入,晶粒尺寸先减小后增大。相比于纯BNT-BT,Ag NbO3的引入使陶瓷室温介电常数从εr=1000显著增强到εr=2000;BNT-BT-AN陶瓷耐压强度Eb从10 k V/mm提升到14 k V/mm,同时BNT-BT-AN陶瓷保持高的饱和极化强度Ps=47μC/cm2,有效提高了BNT-BT-AN陶瓷的储能密度。当x=0.06,烧结条件为1100℃保温3 h时,其有效储能密度Wrec达到了1.600J/cm3,储能效率η为67.0%。介电温谱显示,随Ag NbO3含量的逐渐增加,陶瓷两个介电异常峰区域平缓,表明陶瓷的储能温度稳定性提高。采用固相烧结法制备了纯钙钛矿结构的(1-x)[0.94(Bi0.535Na0.465)TiO3-0.06Ba TiO3]-x Sr TiO3(BNT-BT-ST)无铅陶瓷。SEM测试表明:ST的加入可有效抑制陶瓷的晶粒尺寸,提高耐击穿场强。在x=0.2时,BNT-BT-ST陶瓷的耐击穿场强最大,Eb=14 k V/mm。介电测试表明:随ST含量的增加,陶瓷室温介电常数从最初的εr=1000增加到εr=3500;并且随着x值的增加,峰值Ts和Tm都在往低温方向移动。所有结果表明ST的加入提高了陶瓷的储能性能。最佳储能性能组分为:x=0.2,有效储能密度Wrec=1.664 J/cm3、储能效率η=53%。
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