發(fā)布時(shí)間：2020-03-24 00:23

【摘要】：近年來,(Na_(1/2)Bi_(1/2))TiO_3(NBT)陶瓷在儲(chǔ)能方面的應(yīng)用研究不斷增多。純NBT陶瓷的居里溫度較高(320℃),矯頑場(chǎng)與剩余極化強(qiáng)度均較大,因此其能夠獲得的有效能量密度則較小。如何對(duì)NBT陶瓷進(jìn)行改性,在保證其飽和極化強(qiáng)度的前提下,降低其剩余極化強(qiáng)度,使其電滯回線變瘦長(zhǎng),從而獲得更高的有效能量效率是NBT陶瓷作為儲(chǔ)能應(yīng)用的目標(biāo)。SrTiO_3(ST)陶瓷室溫下為順電相,介電常數(shù)較高(ε_(tái)r~300),耐壓強(qiáng)度較高(E_b~10kV/mm),具有良好的儲(chǔ)能特性,基于此,本研究擬用ST調(diào)控NBT陶瓷的鐵電性能,以獲得優(yōu)化有效儲(chǔ)能密度的NBT-ST基陶瓷。首先,以(Na_(1/2)Bi_(1/2))_(1-x)Sr_xTiO_3(NBT-xST,0.2≤x≤0.3)無(wú)鉛陶瓷為研究對(duì)象,系統(tǒng)研究了不同x值對(duì)陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)、微觀結(jié)構(gòu)、介電性能、儲(chǔ)能特性的影響規(guī)律。結(jié)果表明:室溫下NBT-xST陶瓷均為純鈣鈦礦結(jié)構(gòu),當(dāng)x≥0.22時(shí),存在菱方-四方相共存的MPB組成;陶瓷晶粒之間結(jié)合較為緊密,致密度較高;NBT-x ST陶瓷的介電性能具有較強(qiáng)的頻率依賴性,隨著x值的增加,NBT-xST陶瓷的居里溫度逐漸向低溫方向移動(dòng);NBT-xST陶瓷的矯頑場(chǎng)及剩余極化強(qiáng)度隨著x值的增大而減小。0.74NBT-0.26ST陶瓷同時(shí)具有較好的介電性能和儲(chǔ)能特性,室溫下介電常數(shù)ε_(tái)r為2331、介電損耗tanδ為7.6×10~(-4),儲(chǔ)能密度γ可達(dá)0.3J/cm~3,適合于介電儲(chǔ)能應(yīng)用。其次,以優(yōu)化組成0.74(Na_(1/2)Bi_(1/2))TiO_3-0.26SrTiO_3陶瓷為基礎(chǔ)體系,在A位引入Ba~(2+)離子進(jìn)行摻雜改性,制備了(0.74-x)(Na_(1/2)Bi_(1/2))TiO_3-0.26SrTiO_3-xBaTiO_3,系統(tǒng)研究了Ba~(2+)摻雜量x對(duì)0.74NBT-0.26ST陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)、微觀結(jié)構(gòu)、介電性能與儲(chǔ)能特性的變化規(guī)律。結(jié)果表明:隨著Ba~(2+)離子摻雜量x的增加,陶瓷從準(zhǔn)立方相向四方相轉(zhuǎn)變,在0.04≤x≤0.06時(shí)存在兩相共存區(qū);隨著x值增加,陶瓷晶粒逐漸被細(xì)化,且晶粒大小趨于均勻,提高了陶瓷的致密度。介電峰值溫度T_m隨著Ba~(2+)離子摻雜量x的增加向低溫方向移動(dòng),從x=0的153℃下降到x=0.1的98℃,同時(shí)顯著提高了介電常數(shù)峰值,從7831增加到9481。Ba~(2+)離子的引入使陶瓷的鐵電性減弱,矯頑場(chǎng)和剩余極化強(qiáng)度均降低,且在x=0.04處,陶瓷呈現(xiàn)出弱雙電滯回線的現(xiàn)象,其儲(chǔ)能密度可達(dá)0.47J/cm~3,是純0.74NBT-0.26ST陶瓷的1.55倍,并具有較高的能量效率為48.67%。因此,BT的摻雜有效拓展了NBT-ST陶瓷在儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用。最后,選取0.7NBT-0.26ST-0.04BT陶瓷為基礎(chǔ)體系,以外加MnCO_3的形式引入Mn,外加摩爾量為x(x=0,0.1%,0.3%,0.5%,0.7%),研究了不同Mn添加量對(duì)0.7NBT-0.26ST-0.04BT陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)、微觀結(jié)構(gòu)、介電性能與儲(chǔ)能特性的變化規(guī)律。結(jié)果表明:Mn與0.7NBT-0.26ST-0.04BT形成固溶體時(shí),Mn多以Mn~(2+)和Mn~(3+)離子的形式存在,摻雜后晶格常數(shù)發(fā)生變化,晶面間距增大,過量的Mn主要分布于晶界或三角晶界處抑制晶粒長(zhǎng)大,大小晶粒緊密結(jié)合使得陶瓷致密度增大。適量添加Mn能有效提高陶瓷材料的耐壓強(qiáng)度,且顯著降低較高溫度下陶瓷的介電損耗。介電峰值溫度T_m隨著Mn含量的增加向高溫方向移動(dòng),從x=0的130℃增加到x=0.7%的187℃。當(dāng)Mn的含量為x=0.5%時(shí),介電常數(shù)峰明顯被壓低寬化,陶瓷的相變彌散程度顯著增大。在x=0.5%處,陶瓷發(fā)生反鐵電-鐵電相的轉(zhuǎn)變,其儲(chǔ)能密度可達(dá)0.63J/cm~3,是純0.7NBT-0.26ST-0.04BT陶瓷的1.34倍,且能量效率提高到65%,可作為高儲(chǔ)能密度固體陶瓷電容器應(yīng)用。
【圖文】：

圖 2-1 平行板電容器電極化示意圖Fig. 2-1 The polarization model of planar capacitor(1)離子位移極化：在外加電場(chǎng)的作用下，正負(fù)離子沿著相反的電場(chǎng)方向移動(dòng)產(chǎn)生相對(duì)位移，即正離子沿著電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)，而負(fù)離子恰好相反，打破了電中性平衡。離子就會(huì)重新排布，也就是正負(fù)離子對(duì)轉(zhuǎn)變?yōu)榕紭O子。這類極化形式便稱為離子位移極化。(2)電子位移極化：在沒有外電場(chǎng)的作用下，電介質(zhì)中的原子帶有正電荷的中心與負(fù)電荷的中心正好相重合，呈電中性。若施加一個(gè)外電場(chǎng)在電介質(zhì)上，其中的原子或分子的正負(fù)電荷中心失去平衡出現(xiàn)位移，原子或分子則轉(zhuǎn)變?yōu)榕紭O子。這類極化形式便是電子位移極化。電子位移極化對(duì)外電場(chǎng)的反應(yīng)時(shí)間很短，即它形成或消失這一過程所需要的時(shí)間很短，比離子位移極化所需要的時(shí)間短 2~3 個(gè)數(shù)量級(jí)。(3)固有偶極子極化：在外加電場(chǎng)的作用下，由于受到電場(chǎng)轉(zhuǎn)矩的影響，偶極子趨向于電場(chǎng)方向取向。然而，熱運(yùn)動(dòng)以及離子或分子間的相互作用力又阻礙了偶極子在外加電場(chǎng)下的取向，這些在一定的電場(chǎng)和溫度下重新恢復(fù)平衡。在平衡狀態(tài)時(shí)，偶極子趨向沿著外電場(chǎng)方向取向，其余方向上的取向較弱，從而在外電場(chǎng)方向產(chǎn)生

圖 2-2 三類電介質(zhì)材料電位移 D 和相對(duì)介電常數(shù)εr隨外加電場(chǎng) E 的變化規(guī)律:(a) 線性電介質(zhì)材料；(b) 鐵電材料；(c) 反鐵電材料Fig.2-2 The electric displacement D and relative dielectric constant εrof the threetypical dielectric material with the electric field E variation:(a) Linear dielectric material; (b) ferroelectric material; (c) anti-ferroelectric material因此，，線性電介質(zhì)的儲(chǔ)能密度與其相應(yīng)電壓強(qiáng)度 E 的平方成正比。也就是說，室溫下的順電相電介質(zhì)陶瓷的儲(chǔ)能密度滿足以上關(guān)系式，欲提高其儲(chǔ)能密度就要從提高材料的相對(duì)介電常數(shù)εr和耐壓強(qiáng)度 Eb著手。如圖 2-2(b)表示鐵電材料，有些電介質(zhì)材料在無(wú)電場(chǎng)作用下晶體中存在自發(fā)極化，將具有這種效應(yīng)的電介質(zhì)材料稱為鐵電體[41]。從電位移 D 與電場(chǎng)強(qiáng)度 E 的曲線中可以看出，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度超過矯頑場(chǎng) Ec后，鐵電材料開始儲(chǔ)蓄能量。圖中的陰影區(qū)域即為儲(chǔ)能密度，若要提高鐵電材料的儲(chǔ)能密度，需要在提高材料電場(chǎng)強(qiáng)度 Eb和飽和極化強(qiáng)度 Ps的同時(shí)，降低其剩余極化強(qiáng)度 Pr[42-43]。從相對(duì)介電常數(shù)εr與電場(chǎng)強(qiáng)度E 的曲線中可以看出，在無(wú)電場(chǎng)作用時(shí)，鐵電材料的εr較大，隨著電場(chǎng) E 的增大，鐵電材料的εr顯著降低，導(dǎo)致材料的儲(chǔ)能密度大幅降低。(a)(b) (c)
【學(xué)位授予單位】：景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TM28;TQ174.1

【參考文獻(xiàn)】

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1 南策文;王曉慧;陳湘明;李敬鋒;李永祥;徐卓;汪宏;翟繼衛(wèi);岳振星;李龍土;姚熹;;信息功能陶瓷研究的新進(jìn)展與挑戰(zhàn)[J];中國(guó)材料進(jìn)展;2010年08期

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1 戴祥福;(1-x)NBT-xST無(wú)鉛陶瓷的電卡效應(yīng)和儲(chǔ)能性能[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2015年

2 劉超;BNT-SrTiO_3基陶瓷電容器材料的制備與介電性能的研究[D];天津大學(xué);2005年

本文編號(hào)：2597504