【摘要】：近年來,(Na_(1/2)Bi_(1/2))TiO_3(NBT)陶瓷在儲能方面的應用研究不斷增多。純NBT陶瓷的居里溫度較高(320℃),矯頑場與剩余極化強度均較大,因此其能夠獲得的有效能量密度則較小。如何對NBT陶瓷進行改性,在保證其飽和極化強度的前提下,降低其剩余極化強度,使其電滯回線變瘦長,從而獲得更高的有效能量效率是NBT陶瓷作為儲能應用的目標。SrTiO_3(ST)陶瓷室溫下為順電相,介電常數(shù)較高(ε_r~300),耐壓強度較高(E_b~10kV/mm),具有良好的儲能特性,基于此,本研究擬用ST調控NBT陶瓷的鐵電性能,以獲得優(yōu)化有效儲能密度的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)無鉛陶瓷為研究對象,系統(tǒng)研究了不同x值對陶瓷的晶體結構、微觀結構、介電性能、儲能特性的影響規(guī)律。結果表明:室溫下NBT-xST陶瓷均為純鈣鈦礦結構,當x≥0.22時,存在菱方-四方相共存的MPB組成;陶瓷晶粒之間結合較為緊密,致密度較高;NBT-x ST陶瓷的介電性能具有較強的頻率依賴性,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;NBT-xST陶瓷的矯頑場及剩余極化強度隨著x值的增大而減小。0.74NBT-0.26ST陶瓷同時具有較好的介電性能和儲能特性,室溫下介電常數(shù)ε_r為2331、介電損耗tanδ為7.6×10~(-4),儲能密度γ可達0.3J/cm~3,適合于介電儲能應用。其次,以優(yōu)化組成0.74(Na_(1/2)Bi_(1/2))TiO_3-0.26SrTiO_3陶瓷為基礎體系,在A位引入Ba~(2+)離子進行摻雜改性,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0.74NBT-0.26ST陶瓷的晶體結構、微觀結構、介電性能與儲能特性的變化規(guī)律。結果表明:隨著Ba~(2+)離子摻雜量x的增加,陶瓷從準立方相向四方相轉變,在0.04≤x≤0.06時存在兩相共存區(qū);隨著x值增加,陶瓷晶粒逐漸被細化,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,從x=0的153℃下降到x=0.1的98℃,同時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,矯頑場和剩余極化強度均降低,且在x=0.04處,陶瓷呈現(xiàn)出弱雙電滯回線的現(xiàn)象,其儲能密度可達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陶瓷在儲能領域的應用。最后,選取0.7NBT-0.26ST-0.04BT陶瓷為基礎體系,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0.7NBT-0.26ST-0.04BT陶瓷的晶體結構、微觀結構、介電性能與儲能特性的變化規(guī)律。結果表明:Mn與0.7NBT-0.26ST-0.04BT形成固溶體時,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大,大小晶粒緊密結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,從x=0的130℃增加到x=0.7%的187℃。當Mn的含量為x=0.5%時,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-鐵電相的轉變,其儲能密度可達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%,可作為高儲能密度固體陶瓷電容器應用。
【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：在外加電場的作用下，正負離子沿著相反的電場方向移動產生相對位移，即正離子沿著電場方向運動，而負離子恰好相反，打破了電中性平衡。離子就會重新排布，也就是正負離子對轉變?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：在沒有外電場的作用下，電介質中的原子帶有正電荷的中心與負電荷的中心正好相重合，呈電中性。若施加一個外電場在電介質上，其中的原子或分子的正負電荷中心失去平衡出現(xiàn)位移，原子或分子則轉變?yōu)榕紭O子。這類極化形式便是電子位移極化。電子位移極化對外電場的反應時間很短，即它形成或消失這一過程所需要的時間很短，比離子位移極化所需要的時間短 2~3 個數(shù)量級。(3)固有偶極子極化：在外加電場的作用下，由于受到電場轉矩的影響，偶極子趨向于電場方向取向。然而，熱運動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下的取向，這些在一定的電場和溫度下重新恢復平衡。在平衡狀態(tài)時，偶極子趨向沿著外電場方向取向，其余方向上的取向較弱，從而在外電場方向產生

圖 2-2 三類電介質材料電位移 D 和相對介電常數(shù)εr隨外加電場 E 的變化規(guī)律:(a) 線性電介質材料；(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，，線性電介質的儲能密度與其相應電壓強度 E 的平方成正比。也就是說，室溫下的順電相電介質陶瓷的儲能密度滿足以上關系式，欲提高其儲能密度就要從提高材料的相對介電常數(shù)εr和耐壓強度 Eb著手。如圖 2-2(b)表示鐵電材料，有些電介質材料在無電場作用下晶體中存在自發(fā)極化，將具有這種效應的電介質材料稱為鐵電體[41]。從電位移 D 與電場強度 E 的曲線中可以看出，當電場強度超過矯頑場 Ec后，鐵電材料開始儲蓄能量。圖中的陰影區(qū)域即為儲能密度，若要提高鐵電材料的儲能密度，需要在提高材料電場強度 Eb和飽和極化強度 Ps的同時，降低其剩余極化強度 Pr[42-43]。從相對介電常數(shù)εr與電場強度E 的曲線中可以看出，在無電場作用時，鐵電材料的εr較大，隨著電場 E 的增大，鐵電材料的εr顯著降低，導致材料的儲能密度大幅降低。(a)(b) (c)
【學位授予單位】：景德鎮(zhèn)陶瓷大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TM28;TQ174.1

【參考文獻】

相關期刊論文 前1條

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展與挑戰(zhàn)[J];中國材料進展;2010年08期

相關碩士學位論文 前2條

1 戴祥福;(1-x)NBT-xST無鉛陶瓷的電卡效應和儲能性能[D];哈爾濱工業(yè)大學;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;2005年

本文編號：2597504