PLZST基陶瓷储能性能及器件充放电特性的研究

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脉冲功率技术作为当代高科技的基础学科之一,已经广泛应用于工业制造、地质勘探、金属脉冲成型加工、激光医疗设备、冲击电压等领域。并且,随着能源危机的紧迫性加剧,脉冲功率系统中的高储能装置得到更大的开发驱动,电容器具有低成本、高功率密度以及快速放电等优点,使其成为目前应用最广的储能方式。先从材料角度出发开发具有高储能密度的电介质,再验证多层电容器的充放电性能已成为业内电容储能方向研究的主要模式。(Pb0.97La0.02)(Zr,Sn,Ti)O3(PLZST)基反铁电材料,其高能量密度、近乎为0的剩余极化以及特征性的相变行为引起了太多的关注。本文先从两个方面出发进行反铁电(AFE)材料的储能特性研究,再验证多层电容器的充放电特性,对电容器的储能研究提供一点思路,具体表现如下:(1)由于PLZST反铁电陶瓷有着强烈的组分依赖性,高Ti4+和高Zr4+均会弱化反铁电相,这对储能密度的提升不利。将PLZST组分定位在四方相区,保持低的Ti4+含量不变,Zr4+含量变化范围在50%,提升Sn4+含量,引入了AFE相到多元立方顺电相(以下简称为PE)再到单元立方PE相的转变过程,使相变过程拖延,前转变场从17.94kV/mm增到21.75kV/mm。以块材和层级结构陶瓷两种形态表征组分依赖性,由于工艺的限制,块材的击穿强度最大仅为16kV/mm,这也导致了块材的可释放储能密度均小于0.9J/cm3,然而层级结构陶瓷均匀的晶粒分布状态使得其击穿强度比之提升了44%,随着Sn4+含量的增多,陶瓷可释放储能密度先增加后减小,Sn4+含量为0.44时达到最大2.897J/cm3,效率为78.17%。(2)高价阳离子Sm3+作为施主掺杂取代A位的Pb2+,能够提升反铁电的稳定性,选定高极化的陶瓷(Pb0.97La0.02)(Zr0.675Sn0.285Ti0.04)O3作为基体,Sm3+的增加引起了最大极化强度的降低,当Sm3+的掺杂量为1%时,可恢复储能密度为3.835J/cm3,储能效率为75.96%。(3)根据优选的配方,先通过8层电容器的充放电测试验证MLCC工艺的兼容性,再者制备出介质层厚为30μm的30层陶瓷电容器,其容值为650nF,损耗为小于0.009。自搭建的充放电回路测定电容器耐压值为900V下的放电能量密度为1.268J/cm3,效率为78.09%,达到国内领先水平。在脉冲功率系统的短路放电测试中,800V充电电压下,688ns的时间段内放电电流达到3660A,表明此陶瓷材料及使用的工艺手段制备的30层陶瓷电容器可应用到高能量密度脉冲功率系统中。
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