铌酸钠基介电陶瓷的制备及储能特性研究

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铌酸钠具有适中的介电常数,较高的电击穿强度,是理想的介电储能陶瓷电容器材料。在高电场下,铌酸钠的场感应铁电相使得材料剩余极化增加,储能效率低。因此,本文对铌酸钠进行化学改性以破坏其电场诱导铁电相,获得适宜于储能应用的新体系铌酸钠基陶瓷。分别采取低温烧结,放电等离子烧结的方法,使陶瓷晶粒细化,进一步增强陶瓷的介电储能性能。具体研究内容与结论如下:(1)选取弛豫铁电体Sr0.7Bi0.2Ti O3(SBT)对Na Nb O3(NN)进行掺杂。SBT的纳米极性微区引入后可以破坏NN基体中铁电的长程有序性。随着SBT含量的增加,陶瓷的击穿场强得到提高,反铁电-铁电相变电场提高至陶瓷的击穿场强之上。在200k V/cm电场下对不同含量SBT掺杂样品进行比较,NN-24SBT具有最低的剩余极化。同时,还具有优异的温度(25℃-125℃)稳定性和频率(10 Hz-500 Hz)稳定性。最终NN-24SBT陶瓷在350 k V/cm的电场下达到4.74 J/cm~3的可释放储能密度并兼具87.5%的高储能效率。(2)针对NN-SBT体系烧结温度较高,并且在烧结过程中Na,Bi元素易挥发,导致陶瓷对烧结温度敏感,性能不稳定的问题,选取Cu O作为助烧结剂,制备NN-24SBT:Cu O复合陶瓷。Cu O的添加成功将烧结温度由1140℃降低至995℃。降低的烧结温度以及在晶界处分布的Cu O均能抑制基体晶粒生长,有利于提高复合陶瓷击穿场强。最终,复合陶瓷在470 k V/cm的电场下达到6.28 J/cm~3的可释放储能密度,展现出降低晶粒大小对铌酸钠基陶瓷储能性能的积极影响。(3)采用放电等离子烧结(Spark Plasma Sintering,简称SPS)工艺制备NN-24SBT,相比低温烧结,能够避免由于第二相扩散造成的陶瓷性能下降。SPS法制备的NN-24SBT陶瓷晶粒平均尺寸降低至1.62μm。结合陶瓷SEM进行电场模拟,发现更多的晶界使得材料电势分布更均匀,晶界处承受的局部电场更低。因此,细晶陶瓷的击穿强度得到显著提高。最终SPS法制备的NN-24SBT陶瓷击穿场强提高至578k V/cm,相对常规烧结法提高65%,储能密度达到12.21 J/cm~3,并具有84.1%的高储能效率。
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