钛酸铋钠基无铅储能介质陶瓷材料的制备、表征与性能

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由于电子科学技术的高速发展,陶瓷储能电容器在整个电子信息行业的地位越来越重要。在军事、民用的储能动力系统中需要具有高功率的脉冲电源系统,同时电子器件的小型化发展要求储能陶瓷具有较高的储能效率与密度。铁电性陶瓷储能材料具有十分优异的储能性能,其中以铅基储能材料的性能最为优异。但是由于铅的易挥发性以及有毒性,需要研究开发出储能性能可与之媲美的无铅储能材料。在已知的无铅铁电陶瓷材料中,Na0.5Bi0.5TiO3(NBT)基陶瓷材料近来被广泛研究。钛酸铋钠的储能性能优异,其居里温度高(320℃),相变过程复杂。钛酸铋钠的电滞回线会随着温度的升高而变细长,这有利于电能的存储,但是,其在室温下的电滞回线相对饱满。通过对钛酸铋钠陶瓷材料的改性,使其电滞回线在保证相对较大的饱和极化强度的同时变得细长,以获得更优异的储能密度和储能效率成为现在研究钛酸铋钠的重点。本论文采用元素掺杂改性的方法进行实验设计和研究,分析讨论了不同元素掺杂对于钛酸铋钠基陶瓷材料相结构、微观形貌特征以及铁电、介电性质的影响,从而改进NBT基陶瓷的铁电性能以及储能性能。沿着该思路本文用Sr、Nb、La掺杂改性0.94Na0.5Bi0.5TiO3-0.06BaTiO3(NBT-6BT)陶瓷材料,制备出储能性能优异的无铅铁电储能介质陶瓷材料。通过湿固相法合成了[(Na0.5Bi0.5)0.94Ba0.06]1-xSrxTiO3(x=0.15,0.20,0.25,0.30)(NBBST)陶瓷粉体,讨论了Sr的掺杂量对NBT-6BT的影响。通过对系列样品进行XRD、SEM、介电以及铁电等性能测试和表征得到储能密度最佳的NBBST陶瓷样品。随着Sr掺杂含量的增加,NBBST陶瓷的剩余极化强度(Pr)、矫顽力(Ec)减小,晶粒尺寸减小,铁电性逐渐减弱。当[(Na0.5Bi0.5)0.94Ba0.06]1-xSrxTiO3(0.15≤x≤0.30)中x=0.25时,所制备陶瓷样品的晶粒尺寸更加均匀,陶瓷样品显示出较高的储能性能。为了增加NBBST陶瓷样品的储能密度,通过对[(Na0.5Bi0.5)0.94Ba0.06]0.75Sr0.25TiO3进行La掺杂改性,通过湿固相法合成了La掺杂[(Na0.5Bi0.5)0.94Ba0.06]0.75Sr0.25TiO3陶瓷粉体,在减小陶瓷材料的剩余极化强度(Pr)以及矫顽力(Ec)的同时提高陶瓷材料的饱和极化强度(Ps)以及最大耐电压(Emax),以提高NBBST陶瓷材料储能密度。通过对系列样品进行XRD、SEM、介电以及铁电等性能表征得到储能密度最佳的NBBST陶瓷样品。随着La含量的增加,陶瓷材料的储能密度先增加后减小。当La的掺杂量为0.04时,陶瓷样品显示出较高的储能性能。为了增加NBBST陶瓷样品的储能密度,通过对其进行B位Nb掺杂改性的方式,通过湿固相法合成了La掺杂[(Na0.5Bi0.5)0.94Ba0.06]0.75Sr0.25TiO3陶瓷粉体在减小陶瓷材料的剩余极化强度(Pr)和矫顽力(Ec)的同时提高陶瓷材料的饱和极化强度(Ps)以及最大耐电压(Emax),以实现提高NBBST陶瓷材料储能密度的目的。通过对系列样品进行XRD、SEM、介电以及铁电等性能测试和表征得到储能密度最佳的NBBST陶瓷样品。随着Nb含量的增加,陶瓷材料的储能密度先增加后减小。当Nb的掺杂量为0.09时,陶瓷样品显示出较高的储能性能。本论文通过Sr、La、Nb掺杂对钛酸铋钠基陶瓷材料进行储能性能改性,详细讨论了元素掺杂对陶瓷材料相结构、微观形貌、介电性能与铁电性能的影响。适量的Sr、La、Nb掺杂可以提高陶瓷材料的储能性能。
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