Bi0.5Na0.5TiO3-Ba0.85Ca0.15Ti0.9Zr0.1O3陶瓷的制备及其储能性能研究

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介质电容器具有功率密度高、充放电速度快、使用温度范围宽和寿命长等优点而被广泛用于制作脉冲功率设备中的储能元件。传统BST基陶瓷材料的储能密度较低难以满足实际需求,且只有在高电场下才能获得高储能密度,在电子器件小型化、集成化和低功耗化的发展趋势下必须面对制造和应用的难题。而Bi0.5Na0.5TiO3(BNT)基弛豫铁电体的极化强度高,经过改性可获得较高的储能密度,成为储能电介质材料新的研究热点。因此,本文通过BCTZ、SnO2和MgO掺杂BNT以降低其剩余极化强度和矫顽电场强度,增强其击穿强度,提高其储能密度。并对这些材料的晶体结构、显微形貌、介电、铁电和储能性能进行了较为系统的研究。采用固相法制备了(1-x)BNT-xBCTZ陶瓷,XRD结果表明样品的晶胞体积随着BCTZ含量的增加而逐渐增大,且所有样品都具有伪立方晶体结构。当x≤0.4时,样品有两个介电峰,两个介电峰的形成是由于材料内部存在高温和低温两种纳米极化微区。位于低温处的介电峰具有明显的频率色散特性,位于高温的第二个介电峰未表现出频率色散特性,但其介电峰较宽。高温处介电峰的介电常数随着BCTZ含量的增加快速降低且其位置向低温方向移动。当BCTZ的含量为0.2-0.4mol时,样品具有“束腰”状电滞回线,剩余极化强度的降低幅度较大,而最大极化强度相差不大。采用固相法制备了0.55BNT-0.45Ba0.85Ca0.15Ti0.9-xZr0.1SnxO3陶瓷,所有样品都具有伪立方晶体结构。随着Sn4+含量的增加,样品的相变温度逐渐向室温方向移动,介电常数逐渐降低。当x≤0.02时,样品的电滞回线呈“束腰”状。继续增加Sn4+的含量“束腰”状电滞回线消失,样品的最大极化强度和剩余极化强度逐渐减小,非铁电相与铁电相之间发生可逆相变的极化电流峰消失。Sn4+的引入降低了样品电滞回线的斜率和能量损耗,增强了其击穿强度。当x=0.05 mol时,样品的击穿强度高达13.02 k V·mm-1,最大极化强度高达30.58μC·cm-2,储能效率为72.08%,使得其储能密度高达1.21 J·cm-3。采用固相法制备了0.55BNT-0.45BCTZS-x wt%MgO陶瓷,所有样品都具有钙钛矿型晶体结构。掺杂MgO的样品中存在第二相Mg O和Mg2TiO4,MgO在材料内部分布不均匀,主要聚集在晶界处。0.55BNT-0.45BCTZS样品的介电峰具有明显的频率色散现象,而MgO的引入使其介电峰的频率色散现象消失,从而具有弥散型相变特性。随着MgO含量的增加,样品的介电峰变得越来越宽,且介电常数逐渐降低。MgO的引入可有效增强0.55BNT-0.45BCTZS陶瓷的击穿强度,当x=7时,样品的击穿强度高达19.41k V·mm-1。当x=5时,样品的击穿强度高达18.97 kV·mm-1,最大极化强度高达23.57μC·cm-2,储能效率为79.51%使得其具有优异的储能密度1.62J·cm-3。采用微波烧结制备了0.55BNT-0.45BCTZS-x wt%MgO陶瓷。微波烧结抑制了MgO与基体材料之间的化学反应,Mg O在材料内部分布不均匀,主要聚集在晶界处。微波烧结制备的含Mg O样品的介电常数高于传统烧结制备的样品。与传统烧结制备的样品相比,微波烧结制备的样品具有较高的最大极化强度。微波烧结制备的0.55BNT-0.45BCTZS-x wt%MgO陶瓷的击穿强度与传统烧结制备的相差不大。当x=5时,样品的击穿强度高达18.97k V·mm-1,最大极化强度高达30.53μC·cm-2,储能效率为79.51%使得其具有优异的储能密度2.09 J·cm-3。
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