【摘 要】
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脉冲功率技术已经发展成为当今科技领域极其重要的一部分,广泛应用于国防、民用、医疗、高新技术等领域。具有储能密度大、储能效率高、稳定性好、放电电流大、放电速度快、
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脉冲功率技术已经发展成为当今科技领域极其重要的一部分,广泛应用于国防、民用、医疗、高新技术等领域。具有储能密度大、储能效率高、稳定性好、放电电流大、放电速度快、以及充放电寿命较长的脉冲储能电容器是脉冲储能技术的重要部分。反铁电陶瓷材料所具有的电场诱导反铁电相转变为铁电相的相变行为使其在低电场下可获得大储能密度、高储能效率、快的充放电速度,已经成为制备脉冲储能电容器的重要可选材料。(Pb,La)(Zr,Ti)O3基反铁电陶瓷由于其高转折电场,非常有利于脉冲储能电容器的小型化及轻型化。再者,其高的居里温度有利于得到优异的储能温度稳定性。为获得具有高储能密度、高储能效率、良好温度稳定性和频率稳定性的反铁电陶瓷材料,本文研究了(Pb0.895La0.07)(ZrxTi1-x)O3(x=0.82、0.84、0.86、0.88、0.90、0.92)陶瓷的介电及储能性能。结果表明:Zr4+的取代有助于降低(Pb0.895La0.07)(ZrxTi1-x)O3陶瓷材料的容忍因子,使材料的反铁电性增强,随着Zr4+取代量的增加,材料的转折电场增加,电滞回线变得越来越“窄斜”;随着Zr4+含量的增加,居里温度逐渐升高,介电峰值不断降低。在x=0.90时,(Pb0.895La0.07)(Zr0.9Ti0.1)O3具有大的可释放储能密度(Wre=3.38 J/cm3)、高的储能效率(η=86.5%)、良好的温度稳定性(在20℃-120℃变化率不超过28%)和优异的频率稳定性。因此,(Pb0.895La0.07)(Zr0.9Ti0.1)O3反铁电陶瓷材料很适合用作高性能脉冲电容器。为得到高的储能密度,本论文选取了具有高转折电场的(Pb0.91La0.06)(Zr0.96Ti0.04)O3正交反铁电陶瓷为基本组分。利用Mn掺杂有利于降低钙钛矿结构容忍因子、提高材料的击穿场强,设计得到反铁电性强、储能密度和储能效率高的(Pb0.91La0.06)(Zr0.96Ti0.04)O3–xmol%Mn O2(x=0,0.5,1.0,1.5)陶瓷材料。研究发现Mn以Mn2+、Mn3+离子共存的形式占据了(Pb0.91La0.06)(Zr0.96Ti0.04)O3的B位,这有效地降低了材料的容忍因子,使其反铁电性增强。Mn的引入提高了(Pb0.91La0.06)(Zr0.96Ti0.04)O3的击穿场强使其可恢复的储能密度大大提升到7.65 J/cm3,在目前已报道的反铁电材料中为较优值。
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