【摘要】：儲能介質電容器因其高功率密度、高輸出電壓、長使用壽命而被廣泛應用于現代電力電子系統(tǒng)中,如激光武器、粒子束武器、電磁發(fā)射器、綜合全電力推動戰(zhàn)艦等軍事領域,以及材料表面改性和清洗、粒子束切割與焊接、石油勘探、混合動力交通工具等工業(yè)及民用領域。儲能介質電容器的性能主要由內部的電介質決定。反鐵電(AFE)材料由于高飽和極化強度、低剩余極化強度、反鐵電到鐵電相變的存在而具有較高的儲能密度,成為儲能介質電容器介質層的較好選擇。然而,由于溫度誘導相變的存在,AFE材料的極化強度受溫度影響嚴重�，F有的研究結果表明,寬的工作溫區(qū)和高的溫度穩(wěn)定性難以在AFE陶瓷材料中獲得,不能滿足“高溫化、高可靠性”這一要求。此外,反鐵電-鐵電相變產生的電滯損耗也會降低儲能效率,導致器件的發(fā)熱與能源的浪費。因此,在保證高儲能密度的前提下提升AFE材料的溫度穩(wěn)定性及儲能效率具有重要的研究意義與應用價值。本論文以(Pb,La)(Zr,Sn,Ti)O_3(PLZST)基AFE陶瓷為研究對象,首先,在四方相(Pb,Ba,La)(Zr,Sn,Ti)O_3(PBLZST)、正交相(Pb,La)(Zr,Sn,Ti)O_3(PLZST)AFE陶瓷儲能特性研究的基礎上,針對其溫度穩(wěn)定性差的問題,設計復相陶瓷,采用傳統(tǒng)固相燒結法實現了PLZST基AFE陶瓷儲能密度與溫度穩(wěn)定性的同時提高。其次,鑒于線性Ca(Zr,Ti)O_3(CZT)具有高儲能效率這一特點,延續(xù)復相陶瓷的設計思路,將四方相PBLZST與線性CZT進行復合,實現了PLZST基AFE陶瓷儲能密度與儲能效率的同時提升。最后,采用傳統(tǒng)固相燒結法和放電等離子燒結法(SPS),設計四方相/正交相/線性三相復合陶瓷,實現了儲能密度、儲能效率與溫度穩(wěn)定性的同時提升。具體研究內容如下:(1)四方相PBLZST的研究:本文研究了A位Ba~(2+)離子取代對其儲能密度及溫度穩(wěn)定性的影響。Ba~(2+)離子進行A位摻雜可明顯減弱PLZST的反鐵電性,使鐵電相更易被誘導出,有助于獲得高極化強度,進而有助于儲能密度的提高;但是Ba~(2+)離子的引入會降低居里溫度,而居里溫度的降低不利于溫度穩(wěn)定性的獲得。因此,引入適當的Ba~(2+)含量,可對四方相PBLZST AFE陶瓷的儲能密度和溫度穩(wěn)定性進行調控。實驗發(fā)現:當Ba~(2+)含量為x=0.03-0.06時,四方相PBLZST AFE陶瓷在20℃到120℃的溫區(qū)范圍內具有較高的儲能密度及溫度穩(wěn)定性。如當x為0.06時,在20℃到120℃的溫區(qū)范圍內,PBLZST有效儲能密度從2.4 J/cm~3減小到2.2 J/cm~3,變化小于10%。(2)正交相PLZST的研究:本文研究了不同Zr/Sn/Ti比例的正交相PLZST AFE陶瓷的儲能特性,特別對其溫度穩(wěn)定性進行了分析。研究發(fā)現:正交相PLZST AFE陶瓷隨溫度升高經歷正交相到四方相,再到立方相的相變過程,通常其居里溫度要高于四方相的居里溫度。然而由于低溫下正交相AFE陶瓷很難在電場作用下誘導出鐵電相,其低溫儲能密度并不高。正交相PLZST可在高溫下表現出優(yōu)異的儲能特性,具體為:在100-175℃的溫區(qū)范圍內,(Pb_(0.97)La_(0.02))(Zr_(0.93)Sn_(0.03)Ti_(0.04))O_3 AFE陶瓷樣品有效儲能密度為2.0-3.4 J/cm~3,儲能效率為71-79%,具有良好的高溫儲能特性。此外,本文通過對樣品進行變溫XRD、變溫Raman、變溫電滯回線以及變電場電滯回線的分析,嘗試建立正交相PLZST的溫度-電場相圖,對正交相儲能密度隨溫度升高而增加的特性進行了詳細分析。(3)提升溫度穩(wěn)定性的研究:總結前面的研究我們發(fā)現:四方相儲能密度隨溫度升高而降低,在低溫區(qū)(25-120℃)具有良好的儲能特性,具有負溫度系數特性;正交相儲能密度隨溫度升高而增大,在高溫區(qū)(100-175℃)具有優(yōu)異的儲能特性,具有正溫度系數特性。因此可采用復合的方法將四方相及正交相的儲能優(yōu)勢相疊加,以期達到提升復相陶瓷儲能密度及溫度穩(wěn)定性,拓寬使用溫區(qū)的目的�；谶@一實驗設想,本文首先對復相陶瓷的制備工藝進行了探究,發(fā)現先對四方相進行高溫預燒的復相陶瓷的儲能密度溫度穩(wěn)定性最優(yōu)。依據最優(yōu)的工藝方案,通過對正交相含量進行調控,復相陶瓷的溫度穩(wěn)定性獲得了顯著提升。當正交相的質量分數為55%時,復相陶瓷在室溫時的有效儲能密度為3.20 J/cm~3,在150℃時的變化為-13.44%。與現有研究相比,該復相陶瓷拓寬了PLZST基AFE儲能陶瓷的使用溫區(qū),同時提升了其溫度穩(wěn)定性。(4)提升儲能效率的研究:CZT為常見的線性介質材料,具有擊穿場強大、介電常數小,介電損耗低的特點。雖然其儲能密度難以和PLZST基AFE相比擬,但其高達90%以上儲能效率是PLZST基AFE材料很難達到的。從容忍因子的角度考慮,Ca~(2+)的離子半徑小于Pb~(2+)、La~(2+)、Ba~(2+)的離子半徑,Ca~(2+)引入鈣鈦礦A位有助于穩(wěn)定AFE相,進而有助于儲能特性的提升;從電負性的角度考慮,Pb~(2+)的電負性大于Ca~(2+),因此Ca-O的電負性差大于Pb-O,引入Ca~(2+)有利于結構的穩(wěn)定。同時,CZT高的擊穿場強有助于復相陶瓷擊穿場強的提升。因此,本文延續(xù)復相陶瓷的設計思路,將四方相PBLZST AFE與CZT線性電介質進行復合,以達到同時提高儲能密度與儲能效率的目的。研究結果表明,CZT的引入可將有效儲能密度W_(rec)由PBLZST的2.69 J/cm~3增大到PBLZST-1wt%CZT的4.14 J/cm~3,儲能效率η由PBLZST的77%增大到PBLZST-3wt%CZT的94%。(5)通過三相復合提升PLZST基AFE陶瓷儲能特性的研究:基于復相陶瓷的設計思想,本文通過PBLZST-PLZST-CZT三相復合陶瓷的設計,采用固相燒結法,有效提高了PLZST基AFE陶瓷的儲能密度、儲能效率以及溫度穩(wěn)定性。實驗表明,PBLZST-PLZST-0.5wt%CZT在150℃時儲能密度為4.42 J/cm~3,儲能效率為87%,儲能密度變化為-10.53%,儲能特性獲得了顯著提高。(6)采用SPS技術提升三相復合陶瓷儲能特性的研究:本文采用SPS技術制備不同CZT含量的復相陶瓷,對其儲能密度、儲能效率以及溫度穩(wěn)定性進行研究。由于升溫速率快、燒結溫度低、燒結時間短等特點,SPS技術有效抑制了四方相PBLZST、正交相PLZST和線性CZT三相之間的擴散,提升了復相陶瓷的綜合儲能性能。與常規(guī)燒結樣品相比,SPS樣品的儲能特性獲得了明顯的提升。有效儲能密度W_(rec)可由PBLZST-PLZST的6.47 J/cm~3增大到PBLZST-PLZST-2wt%CZT的7.07 J/cm~3,相應的儲能效率η可由67%增大到84%,增加了17%。在150℃時,其儲能密度變化均小于15%,如PBLZST-PLZST-2wt%CZT樣品的儲能密度變化為-10.16%。
【圖文】：

1 緒 論研究背景與意義量的存儲與釋放伴隨著人類的發(fā)展與進步。目前主流的儲能元件主要為：電器、電化學電容器以及電池（鋰電池與燃料電池）等[1-4]。如圖 1-1 為不同儲能量密度與功率密度關系圖[1]。其中，電池的能量密度很高，但是其功率密其工作時間可以長達幾個小時，多應用于手機、筆記本電腦、汽車等領域容器的能量密度與功率密度介于電池與電介質電容器之間，兼具電池與電介的優(yōu)點，但電化學電容器結構復雜、存在安全隱患，且循環(huán)周期短；介質電量密度偏低，但其功率密度非常高，且不涉及物質的擴散和遷移，可以迅速因此被廣泛應用于脈沖功率技術中[5-6]。

華 中 科 技 大 學 博 士 學 位 論 文斷發(fā)展與進步，脈沖功率技術以及其驅動源技術也得到了迅速的發(fā)展，，其應用已經覆蓋到國防軍事和民生工業(yè)等眾多領域。包括激光武器、高功率微波武器束武器、電磁發(fā)射器、綜合全電力推動戰(zhàn)艦等軍事領域；材料表面改性和清洗束切割與焊接、石油勘探、混合動力交通工具等工業(yè)及民用領域[2, 5-14]。如圖 1為中國自主研發(fā)的超高功率脈沖強流加速器“聚龍一號”和美國 SandiaNL 的“ine”(其脈沖電源主要由介質電容器提供)，美國海軍針對定向能武器 (DEW) 戰(zhàn)艦能量需求增大的問題提出的解決方案“Energy Magazine”技術示意圖。
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TQ174.1;TM53

【相似文獻】

相關期刊論文 前10條

1 嚴清峰,宋鋒兵,張一玲,李強;助熔劑法生長的PLZST單晶的缺陷研究[J];人工晶體學報;2001年02期

2 劉鵬,楊同青,王志宏,徐卓,張良瑩,姚熹;PLZST反鐵電陶瓷電場誘導相變與相穩(wěn)定性的研究[J];物理學報;1998年10期

3 劉鵬,楊同青,徐卓,張良瑩,姚熹;PLZST反鐵電陶瓷的電場誘導多次相變現象[J];科學通報;1998年07期

4 曾濤;羅偉;張紅玲;李健;漏琦偉;;不同鋯錫比對PLZST鐵電陶瓷相變行為的影響[J];上海電力學院學報;2016年04期

5 羅婷;王武尚;林建國;;溶膠-凝膠法制備高鋯含量PLZST反鐵電陶瓷粉體[J];功能材料;2017年07期

6 劉鵬;張丹;;偏置電場誘導的PLZST反鐵電介電弛豫現象[J];科學通報;2008年15期

7 田蒔,孫玉靜,李小兵,馮駿;反鐵電陶瓷PLZST納米粉的制備研究[J];航空材料學報;2003年S1期

8 嚴清峰,張一玲,李強;鉛基馳豫型復合鈣鈦礦結構PLZST的合成研究[J];無機材料學報;2001年04期

9 夏文新;;基于反鐵電PLZST厚膜相變脈沖電流的溫度傳感方法[J];大學物理實驗;2014年03期

10 劉鵬,楊同青,徐卓,翟繼衛(wèi),張良瑩,姚熹;電場誘導PLZST陶瓷反鐵電-鐵電相變的原位X射線衍射研究[J];科學通報;1998年23期

相關會議論文 前4條

1 高鏡涵;李強;嚴清峰;張一玲;;MPB組分PLZST單晶誘導鐵電相的退極化行為[A];第十七屆全國晶體生長與材料學術會議摘要集[C];2015年

2 李強;;鉛基弛豫反鐵電PLZST單晶的生長[A];科技、工程與經濟社會協(xié)調發(fā)展——中國科協(xié)第五屆青年學術年會論文集[C];2004年

3 卓芳平;李強;高鏡涵;嚴清峰;張一玲;褚祥誠;;復合助溶劑生長PLZST反鐵電單晶及其結構性能研究[A];第十七屆全國晶體生長與材料學術會議摘要集[C];2015年

4 弓長;馮玉軍;徐卓;;La摻雜Pb(Zr,Sn,Ti)O_3陶瓷電場誘導相變的研究[A];第五屆中國功能材料及其應用學術會議論文集Ⅲ[C];2004年

相關博士學位論文 前2條

1 劉品;PLZST基反鐵電陶瓷的復相設計及其儲能特性研究[D];華中科技大學;2019年

2 陳嘯;鐵電陶瓷氧化物相變的光譜學研究及物性測試系統(tǒng)[D];華東師范大學;2014年

相關碩士學位論文 前6條

1 葉茂;擇優(yōu)取向PLZST薄膜的微觀結構及電熱效應研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2009年

2 丁小娟;PLZST陶瓷的相圖及光電特性研究[D];華東師范大學;2016年

3 薛麗紅;PLZST復合鈣鈦礦結構弛豫反鐵電材料的化學合成[D];武漢理工大學;2002年

4 張倩;PLZST反鐵電陶瓷材料儲能性能研究及其在多層陶瓷電容中的應用[D];北京化工大學;2015年

5 羅婷;高鋯含量反鐵電陶瓷PLZST的制備及其介電性能研究[D];湘潭大學;2017年

6 黃佳鵬;儲能脈沖電容器用PLZST介電性能研究[D];電子科技大學;2017年

本文編號：2593864