本文關鍵詞：高儲能密度鈦酸鋇薄膜電容器的制備及其充放電特性研究

  更多相關文章： 鈦酸鋇 取向生長 儲能密度 中低溫 充放電測試

【摘要】：高儲能密度介電電容器被認為很適用于軍事用脈沖功率系統(tǒng),例如該系統(tǒng)中的電磁彈射器、高功率微波、儲能電裝甲、定向能激光等。另外,脈沖功率電容器也適用于其它應用,例如除顫器、X光設備、脈沖照明以及能量存儲模塊等。小型化、高儲能、輕質量、低成本、高可靠性、長充放電壽命等是儲能電容器的未來發(fā)展方向。過去的幾十年里,科研人員對新型儲能電容器做了大量研究,在減小電容器體積以及減短放電時間,提高功率這兩方面進步顯著,但是整體來說,目前還沒有一種兼容高儲能密度和高功率密度的材料。鐵電材料具有高介電常數、高功率密度、優(yōu)良的鐵電性和壓電性的特點,由于其塊體材料的擊穿場強較小,從而限制了鐵電塊體材料的儲能密度的提升,因此,鐵電薄膜材料成為儲能電容器的新研究方向。隨著環(huán)境保護的呼聲越來越高,傳統(tǒng)的PZT基陶瓷由于含有大量的鉛,其制造和使用已經被限制。而鈦酸鋇(BaTiO3)作為主要的電介質材料,因其具有的高介電常數和低介電損耗、高功率密度等優(yōu)點,使其成為陶瓷儲能電容器的理想材料。為了獲得結晶性良好的BaTiO3薄膜,無論是物理方法還是化學方法,在其制備的過程中,或者涉及退火等熱處理,或者制備溫度偏高(高于500℃),而這同現有的CMOS硅基片集成技術是不兼容的,一般MOS芯片承受的溫度極限在450℃到500℃。另外,對于用作儲能電容器的BaTiO3薄膜材料,改善其擊穿場強低的缺點,也是很有必要的。綜上所述,對于降低BaTiO3薄膜的制備溫度,同CMOS工藝相融合,并且進一步提高BaTiO3薄膜的儲能密度具有很重要的理論意義和實際應用價值。本文通過多靶磁控濺射技術,在硅基片上制備BaTiO3薄膜。一方面,增加鎳酸鑭(LaNiO3)緩沖層,獲得高度c軸取向的BaTiO3薄膜。在此基礎上,降低BaTiO3薄膜的制備溫度至500℃以下,獲得了高質量的薄膜材料,并研究其電學性能。另一方面,優(yōu)化500℃制備薄膜的工藝參數,通過控制濺射時間,獲得不同厚度的BaTiO3薄膜。測試制備的BaTi03薄膜的電滯回線和充放電性能,研究其理論儲能密度以及實際放電能量密度,最終制備出具有高儲能密度的BaTiO3薄膜電容器。本文的主要研究內容如下：1、高品質BaTiO3薄膜的中低溫制備方面(1)通過應變調制,在硅基片和BaTiO3薄膜之間,加入LaNiO3作為緩沖層,調控BaTiO3薄膜的取向,獲得了具有高度c軸取向的薄膜。薄膜晶粒細小,表面致密,調諧率達到42%,壓電常數(d33)值達到15Opm/V。(2)降低BaTiO3薄膜的制備溫度到350℃,獲得的薄膜雖然結晶性降低,但介電性能良好,在電場強度為0-889 kV/cm區(qū)間內,BaTiO3薄膜能保持高介電常數(110左右)并在整個電場范圍內保持穩(wěn)定。制備過程同CMOS工藝更加兼容。2、高儲能密度BaTiO3薄膜電容器的制備及充放電測試方面(1)在500℃下,控制濺射時間,分別濺射1h、2h和6h的BaTiO3薄膜。制備的BaTiO3薄膜結晶性好,并且具有良好的電學性能。(2)測試制備的薄膜電容器的電滯回線,計算其理論儲能密度,運用自己搭載的電容器充放電系統(tǒng)測試出其實際放電能量密度,效率約在77%范圍。薄膜的儲能密度效率在-170℃～300℃的溫度范圍內,從80%升高到93%。(3)在搭載的充放電測試系統(tǒng)中,通過調節(jié)負載電阻的大小,可以控制放電時間的長短,最短時間達到微秒級別。充放電測試可以循環(huán)至上萬次、十萬次甚至更高,因此制備的BaTiO3薄膜具有很長的充放電壽命。
【關鍵詞】：鈦酸鋇 取向生長 儲能密度 中低溫 充放電測試
【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TM53
【目錄】：

• 摘要10-12
• ABSTRACT12-15
• 第一章 緒論15-27
• 1.1 鐵電薄膜電容器簡介15-17
• 1.1.1 鐵電薄膜簡介15
• 1.1.2 鈦酸鋇薄膜簡介15-16
• 1.1.3 儲能電容器簡介16-17
• 1.2 BaTiO_3薄膜的研究現狀17-19
• 1.2.1 BaTiO_3薄膜的制備現狀17-18
• 1.2.2 儲能電容器的研究現狀18-19
• 1.3 BaTiO_3薄膜的制備方法19-21
• 1.3.1 物理方法19-20
• 1.3.2 化學方法20-21
• 1.4 提高儲能密度的方法及意義21-24
• 1.5 本課題的研究目標及內容24-27
• 1.5.1 本課題研究目標24
• 1.5.2 本課題研究內容24-27
• 第二章 BaTiO_3薄膜的制備與表征27-33
• 2.1 BaTiO_3薄膜的制備27-30
• 2.1.1 儀器及材料準備27-28
• 2.1.2 底電極及其選擇依據28
• 2.1.3 BaTiO_3薄膜電容器的濺射制備28-30
• 2.2 薄膜的微觀結構表征30-31
• 2.3 薄膜的電學性能表征31-32
• 2.3.1 薄膜的鐵電性能表征31-32
• 2.3.2 薄膜的介電及充放電性能表征32
• 2.3.3 薄膜的壓電性能表征32
• 2.4 本章小結32-33
• 第三章 中低溫高度取向BaTiO_3薄膜的制備33-45
• 3.1 高取向BaTiO_3薄膜的設計制備及其微觀結構33-36
• 3.2 中低溫BaTiO_3薄膜的電學性能36-42
• 3.2.1 BaTiO_3薄膜的鐵電性能36-37
• 3.2.2 BaTiO_3薄膜的介電性能37-41
• 3.2.3 BaTiO_3薄膜的壓電性能41-42
• 3.3 本章小結42-45
• 第四章 BaTiO_3薄膜電容器的儲能密度及充放電特性研究45-65
• 4.1 BaTiO_3薄膜電容器儲能密度的研究45-46
• 4.1.1 儲能密度的計算方法45-46
• 4.1.2 儲能BaTiO_3薄膜的設計46
• 4.2 薄膜電容器充放電測試原理46-48
• 4.3 BaTiO_3薄膜的理論儲能密度48-52
• 4.3.1 不同厚度的BaTiO_3薄膜的制備48-49
• 4.3.2 BaTiO_3薄膜的理論儲能密度49-50
• 4.3.3 BaTiO_3薄膜的理論儲能密度隨溫度的變化50-52
• 4.4 BaTiO_3薄膜電容器的充放電測試結果52-60
• 4.4.1 BaTiO_3薄膜的充放電測試過程52-55
• 4.4.2 BaTiO_3薄膜的最高實際放電能量密度55-56
• 4.4.3 寄生電容56-60
• 4.5 充放電測試系統(tǒng)的優(yōu)勢及不足之處60-62
• 4.6 本章小結62-65
• 第五章 結論與展望65-69
• 5.1 結論65
• 5.2 展望65-66
• 5.3 主要創(chuàng)新點66-69
• 參考文獻69-79
• 致謝79-81
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表的學術論文81-82
• 學位論文評閱及答辯情況表82

【相似文獻】

中國期刊全文數據庫 前10條

1 林福昌,代新,徐智安,李勁,姚宗干;高儲能密度電容器[J];強激光與粒子束;2003年01期

2 黃佳佳;張勇;陳繼春;;高儲能密度介電材料研的究進展[J];材料導報;2009年S1期

3 戴興建;李奕良;于涵;;高儲能密度飛輪結構設計方法[J];清華大學學報(自然科學版);2008年03期

4 苑金凱;黨智敏;;高儲能密度全有機復合薄膜介質材料的研究[J];絕緣材料;2008年05期

5 湯敬秋;王璋奇;米增強;余洋;;基于渦簧的機械彈性儲能技術及儲能密度的提高方法[J];中國工程機械學報;2013年03期

6 李化;呂霏;林福昌;陳耀紅;李智威;章妙;劉德;;應用于脈沖功率系統(tǒng)的高儲能密度電容器[J];強激光與粒子束;2012年03期

7 白越;黎海文;吳一輝;宣明;;復合材料飛輪轉子設計[J];光學精密工程;2007年06期

8 羅君;杜軍;唐群;毛昌輝;;多層高儲能密度玻璃陶瓷電容器的串式內電極設計[J];科學通報;2009年04期

9 馮靜;周經倫;孫權;;基于高儲能密度電容退化數據的可靠性評估[J];強激光與粒子束;2006年08期

10 湯清華，潘曉光，葉龍，，石康源;高儲能密度電容器復合介質材料的研究[J];華中理工大學學報;1996年03期

中國重要會議論文全文數據庫 前2條

1 魏建中;陳壽田;;高儲能密度陶瓷電容器的研制[A];94'全國結構陶瓷、功能陶瓷、金屬/陶瓷封接學術會議論文集[C];1994年

2 苑金凱;黨智敏;;高儲能密度全有機復合薄膜介質材料[A];第十屆絕緣材料與絕緣技術學術會議論文集[C];2008年

中國重要報紙全文數據庫 前1條

1 記者 王芳;海外新能源專家來寧“布道”[N];江蘇經濟報;2010年

中國博士學位論文全文數據庫 前2條

1 戴玲;提高脈沖電容器儲能密度的新方法的研究[D];華中科技大學;2005年

2 李松松;碳纖維復合材料高速轉子的力學特性研究及其儲能密度優(yōu)化[D];中國科學院研究生院（長春光學精密機械與物理研究所）;2003年

中國碩士學位論文全文數據庫 前8條

1 戴明飛;多孔鈦酸鍶鋇的制備及在復合材料中的應用[D];北京化工大學;2015年

2 趙勇;多孔鈦酸鋇的制備及其應用研究[D];北京化工大學;2015年

3 位姣姣;高儲能密度電容器用聚合物薄膜介電擊穿特性研究[D];電子科技大學;2015年

4 邱維君;放電等離子燒結法制備高儲能密度的鈦酸鍶鋇基陶瓷[D];浙江大學;2016年

5 高逸群;高儲能密度鈦酸鋇薄膜電容器的制備及其充放電特性研究[D];山東大學;2016年

6 王銳;復合材料飛輪儲能密度分析[D];太原科技大學;2012年

7 竇曉亮;納米BT/PVDF復合材料的研究[D];北京化工大學;2010年

8 張文俊;高儲能密度鈮酸鹽鐵電玻璃陶瓷制備及性能研究[D];桂林電子科技大學;2011年

本文編號：935082