本文關(guān)鍵詞： 高儲(chǔ)能密度 Sr Ti O3陶瓷 儲(chǔ)能電介質(zhì) 等價(jià)摻雜 晶格畸變 氧空位 界面極化　出處：《武漢理工大學(xué)》2015年博士論文　論文類(lèi)型：學(xué)位論文

【摘要】：隨著脈沖功率系統(tǒng)減小尺寸和減輕重量需求的增長(zhǎng),高儲(chǔ)能密度固態(tài)電介質(zhì)材料成為一個(gè)l6待解決的主要技術(shù)問(wèn)題。電介質(zhì)材料要具有高儲(chǔ)能密度,必須具有較高的介電常數(shù)和較高的擊穿強(qiáng)度。同時(shí),儲(chǔ)能介質(zhì)具有較高的介電常數(shù)是脈沖功率系統(tǒng)小型化的前提,而儲(chǔ)能介質(zhì)具有較高的擊穿強(qiáng)度是脈沖功率系統(tǒng)高壓下應(yīng)用的基本要求。因此,為制備出使脈沖功率系統(tǒng)小型化且符合高壓脈沖形成線(xiàn)要求的固態(tài)儲(chǔ)能介質(zhì),本論文選擇具有相對(duì)較高介電常數(shù)和較高擊穿強(qiáng)度的Sr Ti O3基陶瓷作為研究對(duì)象,對(duì)其進(jìn)行等價(jià)摻雜,以期獲得具有更高擊穿強(qiáng)度的高儲(chǔ)能密度Sr Ti O3基陶瓷。利用X射線(xiàn)衍射(XRD)、電子能譜(EDS)、掃描電鏡(SEM)和交流阻抗等測(cè)試技術(shù),研究了Mg、Ca、Zr等價(jià)摻雜Sr Ti O3基陶瓷的制備、介電性能和儲(chǔ)能性能,探討了等價(jià)摻雜Sr Ti O3基陶瓷高溫弛豫和電導(dǎo)。為了獲得更高的擊穿強(qiáng)度,本文首先以離子半徑較小的Mg2+摻雜Sr Ti O3的A位,用固相法制備了A位Mg摻雜Sr Ti O3陶瓷,即Sr1-x Mgx Ti O3陶瓷。當(dāng)x≤0.020mol時(shí),Mg摻雜A位;當(dāng)x=0.040mol時(shí),部分進(jìn)入A位,還有部分進(jìn)入B位,生成了Mg Ti O3雜相。Mg摻雜使得Sr Ti O3陶瓷晶粒尺寸減小,正負(fù)離子間的作用力增強(qiáng),擊穿強(qiáng)度提高,而介電常數(shù)變化很小。室溫下,Mg摻雜Sr Ti O3陶瓷具有良好的介頻穩(wěn)定性和低介電損耗,在20Hz-2MHz范圍的介電損耗都小于0.006。Sr0.99Mg0.01Ti O3陶瓷具有最大儲(chǔ)能密度,其在362k V/cm場(chǎng)強(qiáng)下的放電儲(chǔ)能密度為1.86J/cm3,是本實(shí)驗(yàn)中純Sr Ti O3陶瓷儲(chǔ)能密度值(1.44J/cm3)的1.29倍,是文獻(xiàn)中報(bào)道的純Sr Ti O3的儲(chǔ)能密度值(0.7 J/cm3)的2.66倍,儲(chǔ)能效率高于70%。為了進(jìn)一步提高Sr0.99Mg0.01Ti O3陶瓷的擊穿強(qiáng)度和儲(chǔ)能密度,用Zr摻雜Sr0.99Mg0.01Ti O3陶瓷的B位。然而,Zr摻雜不利于Sr0.99Mg0.01Ti O3陶瓷燒結(jié),晶粒尺寸異常長(zhǎng)大,導(dǎo)致?lián)舸┙档?因而儲(chǔ)能密度也減小。Ca Ti O3和Sr Ti O3都是鈣鈦礦結(jié)構(gòu),且Ca2+半徑比Mg2+大,但比Sr2+小,因此,A位Ca摻雜Sr Ti O3陶瓷可能具有比Sr1-x Mgx Ti O3陶瓷更好的儲(chǔ)能性能。Ca摻雜也使得Sr Ti O3陶瓷正負(fù)離子間的作用力增強(qiáng),擊穿強(qiáng)度提高,而介電常數(shù)稍增大。室溫下,Sr1-x′Cax′Ti O3陶瓷也具有良好的頻率穩(wěn)定性和低介電損耗,在100Hz-2MHz頻率范圍介電損耗都小于0.006。Sr0.98Ca0.02Ti O3陶瓷具有最大儲(chǔ)能密度,在333k V/cm場(chǎng)強(qiáng)下的放電儲(chǔ)能密度為1.95 J/cm3,是本實(shí)驗(yàn)中純Sr Ti O3陶瓷的1.35倍,是文獻(xiàn)中純Sr Ti O3陶瓷的2.79倍,儲(chǔ)能效率大于72%。Zr4+能穩(wěn)定鈦酸鹽中的Ti4+的價(jià)態(tài),且能減小漏電流。因此,用Zr摻雜Sr0.98Ca0.02Ti O3陶瓷的B位,期望進(jìn)一步提高Sr0.98Ca0.02Ti O3陶瓷的擊穿強(qiáng)度和儲(chǔ)能密度。少量的Zr摻雜反而降低了Sr0.98Ca0.02Ti O3陶瓷的燒結(jié)溫度,Sr0.98Ca0.02Ti0.98Zr0.02O3陶瓷的最佳燒結(jié)溫度從Sr0.98Ca0.02Ti O3陶瓷的1380℃降為1320℃。XRD、SEM和EDS分析發(fā)現(xiàn),Zr除部分摻雜進(jìn)入Sr0.98Ca0.02Ti O3陶瓷形成鈣鈦礦主晶相外,還存在富含Zr、O的橢圓形晶粒相。Sr0.98Ca0.02Ti(1-y′)Zry′O3陶瓷具有良好的頻率穩(wěn)定性,低介電損耗,在100Hz-2MHz頻率范圍介電損耗小于0.008。Sr0.98Ca0.02Ti(1-y′)Zry′O3陶瓷的儲(chǔ)能效率都大于72%,且高場(chǎng)強(qiáng)下Zr摻雜Sr0.98Ca0.02Ti O3陶瓷的儲(chǔ)能效率高于Sr0.98Ca0.02Ti O3陶瓷。B位Zr摻雜Sr0.98Ca0.02Ti O3陶瓷隨著Zr摻雜量的增加,介電常數(shù)稍減小。Sr0.98Ca0.02Ti0.98Zr0.02O3陶瓷具有最大儲(chǔ)能密度,在419k V/cm場(chǎng)強(qiáng)下的放電儲(chǔ)能密度可達(dá)2.77J/cm3,是沒(méi)有Zr摻雜的Sr0.98Ca0.02Ti O3陶瓷的1.42倍,是本實(shí)驗(yàn)中純Sr Ti O3陶瓷的1.92倍,是文獻(xiàn)中純Sr Ti O3陶瓷的3.96倍。因此,Sr0.98Ca0.02Ti0.98Zr0.02O3陶瓷最有希望用作脈沖形成線(xiàn)的儲(chǔ)能介質(zhì)。A位、B位等價(jià)摻雜Sr Ti O3會(huì)產(chǎn)生晶格畸變,晶格畸變是否會(huì)對(duì)Sr Ti O3陶瓷弛豫和電導(dǎo)產(chǎn)生影響是個(gè)需要回答的問(wèn)題,因此,本文研究了A位、B位等價(jià)摻雜Sr Ti O3基陶瓷的高溫弛豫和電導(dǎo)。研究發(fā)現(xiàn),Sr1-x Mgx Ti O3陶瓷和Sr1-x′Cax′Ti O3陶瓷高溫弛豫都是由熱激活的氧空位短程運(yùn)動(dòng)引起的,高溫下的電導(dǎo)是熱激活的氧空位的長(zhǎng)程運(yùn)動(dòng)。B位Zr摻雜Sr0.99Mg0.01Ti O3陶瓷和B位Zr摻雜Sr0.98Ca0.02Ti O3陶瓷高溫弛豫都是熱激活的氧空位短程運(yùn)動(dòng)及其導(dǎo)致的界面極化,高溫下的電導(dǎo)也是熱激活的氧空位的長(zhǎng)程運(yùn)動(dòng)。等價(jià)摻雜Sr Ti O3基陶瓷的高溫弛豫和電導(dǎo)都與等價(jià)摻雜產(chǎn)生的晶格畸變無(wú)關(guān),只與熱激活的氧空位有關(guān),而室溫下氧空位不會(huì)被激活運(yùn)動(dòng),因而對(duì)室溫下的介電性能和儲(chǔ)能性能影響較小。
[Abstract]:With the reduction in size and weight requirements of pulsed power system growth, high energy density solid dielectric materials become the main technical problems to be solved. A L6 dielectric material has high energy density, breakdown strength has higher dielectric constant and higher. At the same time, the energy storage medium with high dielectric constant the power system is the premise of miniaturization of the pulse energy storage medium with high breakdown strength is a basic requirement of application of pulse power system under high pressure. Therefore, for the preparation of an impulse power system miniaturization with high voltage pulse forming solid line storage requirements to medium, the Ti has a relatively Sr O3 based ceramics high dielectric constant and high breakdown strength as the research object, carries on the equivalent doping, in order to obtain higher breakdown strength of high energy density Sr Ti O3 ceramic using X ray. 琛嶅皠(XRD),鐢?shù)瀛愯兘璋?EDS),鎵弿鐢?shù)闀?SEM)鍜屼氦嫻侀樆鎶楃瓑嫻嬭瘯鎶，

本文編號(hào)：1481775