BNT-BST基弛豫铁电体陶瓷的制备及其电储能特性优化研究

来源 :景德镇陶瓷大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zhuhai2009
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(Bi0.5Na0.5)TiO3(BNT)是一种具有ABO3型钙钛矿结构的铁电体,其相结构变化复杂,压电、介电和铁电性能优良,特别是其具有很高的极化强度Pmax(~40μC/cm2),长期以来都是铁电相关理论和应用研究的热点无铅材料。然而,纯BNT陶瓷具有高剩余极化强度Pr(~38 μC/cm2)和高矫顽场Ec(~73 kV/cm)等问题,严重限制着其作为储能介质的应用。因此,如何通过A/B位化学改性来优化BNT陶瓷的电极化行为,从而更有效地利用其高Pmax以改善其电储能特性成为本研究的重点。具体研究工作如下:(1)选用更适用于脉冲功率体系的Ba0.3Sr0.7TiO3(BST)顺电相来改性BNT,制备了(Ba0.3Sr07)x(Bi0.5Na0.5)1-xTiC3(BSxBNT,x=0.3,0.35,0.4,0.45,0.5,0.6,0.7和0.8)陶瓷,研究了不同含量的BST对于陶瓷相组成,显微结构,介电及电储能特性影响。结果表明:随着BST含量增加,晶体结构从四方相(x=0.3)转变为赝立方相(x≥0.35),晶粒尺寸略微降低,致密性良好;介电峰处的最大介电常数εm及其对应的温度Tm逐渐降低,x=0.5组成(Tm=36℃)的室温介电常数εm=5920;电滞回线从x=0.35组成开始呈现明显束腰特征,并逐渐向“细长”型转变。x=0.5组成在80kV/cm获得最大差值Pmax-Pr=26.86μC/cm2,具有优化储能特性:在Eb=100kV/cm下,最高有效储能密度Wrec=1.04J/cm3,储能效率η=77%。(2)以更适合于高介中压脉冲功率电容器的BS0.35BNT陶瓷为新基体,设计并制备了BS0.35BN[Ti1-x(Nb2/3Mg1/3)x]O3(BS0.35BNT-NM100x,x=0,0.01,0.02,0.03,0.04和0.06)陶瓷,研究了不同含量的(Nb2/3Mg1/3)4+复合离子对于陶瓷相组成,显微结构,介电,电储能及抗疲劳特性影响。结果表明:随着(Nb2/3Mg1/3)含量增加,介电峰逐渐压低并展宽,介电温度稳定性有所提升;x=0.02组成取得优化储能特性:在Eb=96kV/cm下,最高有效储能密度Wrec=0.92J/cm3,储能效率η=70%。在60kV/cm,20-180℃、104次电循环等不同条件下,发现x=0.02组成的电储能分别保持良好的温度稳定性与抗疲劳特性。(3)同样,仍选择更适合于制备高介中压脉冲功型电容器的BS0.35BNT陶瓷作为基体组成,设计并制备了(1-x)BS0.35BNT-xNaNbO3[(1-x)BS0.35BNT-xNN,x=0,0.02,0.04,0.06,0.08和0.10]陶瓷,研究了不同含量的NN对于陶瓷相组成,显微结构,介电,电储能,抗疲劳及充放电特性的影响规律。结果表明:随着NN含量增加,介电峰逐渐压低并展宽,介电温度稳定性有所提升。x=0.06组成取得优化储能特性:在Eb=116kV/cm下,最大有效储能密度Wrec=1.25J/cm3,储能效率η=76%。在80kV/cm,20-160℃、105次电循环等不同条件下,发现0.94BS0.35BNT-0.06NN陶瓷的电储能分别保持良好的温度稳定性与抗疲劳特性。此外,0.94BS0.35BNT-0.06NN陶瓷的功率密度PD、放电密度Wd在20-100℃温度范围内均保持良好的放电温度稳定性,可作为脉冲功率电容器制作的候选材料。
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