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随着科技进步与工程需求的加快,储能器件的小型化与轻型化己成为业界一致的目标。在此基础上应运而生的通过熔融快冷与可控结晶技术制备岀的兼具高介电常数与高击穿场强的新型玻璃陶瓷复合介电材料在实现储能器件小型化与轻型化的过程中扮演了极其重要的角色。玻璃陶瓷复合介电材料之所以具有如此良好的特性在于其中的陶瓷相提供了高介电常数,其中的非晶玻璃相提供了高击穿场强的特性,根据介电材料的储能密度与其介电常数呈线性关系而与其击穿场强存在二次方的关系,可以预见玻璃陶瓷复合介电材料具有获得高储能密度的潜力,因此玻璃陶瓷复合介电材料对实现储能器件小型化与轻型化的目标是非常有利的。然而由于玻璃陶瓷复合介电材料问世时间较短,相关理论与实验研究还未全面展开,在工程化考核中所体现的综合性能还不够理想,因此对现有的玻璃陶瓷开展性能改善的工作显得尤其重要。本课题组之前深入系统的研究了由钨青铜结构相(A1)4(A2)2Nb10O30与钙钛矿结构相NaNbO3作为陶瓷相与SiO2非晶玻璃相组成的铌酸盐基玻璃陶瓷中钨青铜相的A位元素一元和二元替换与复合,形成了基于Ba、Sr、Pb在钨青铜相的A位元素替换与复合所构成的铌酸盐玻璃陶瓷成分三角形体系。通过研究陶瓷相的析出过程、显微结构以及玻璃陶瓷的各项介电性能,得出在铌酸盐玻璃陶瓷中钨青铜相的A位元素替换与复合对以上性能的影响。通过调控纳米陶瓷相的析晶过程而实现对玻璃陶瓷的结构与介电性能的改善。本论文正是建立在课题组之前研究的基础之上,选取五个关键的成分点即BaO-Na2O-Nb2O5-SiO2、SrO-Na2O-Nb2O5-SiO2、PbO-Na2O-Nb2O5-SiO2、(Pb06, Ba0.4)O-Na2O-Nb2O5-SiO2、(Pb0.4,Sr0.6)O-Na2O-Nb2O5-SiO2作为基础玻璃陶瓷成分体系,通过添加不同种类与含量的稀土氧化物,系统研究稀土添加对铌酸盐玻璃陶瓷中的陶瓷相析出、显微结构以及介电性能的影响,以期实现通过添加微量稀土而达到进一步改善铌酸盐玻璃陶瓷的结晶与介电性能的目的。通过差热分析(DTA)得到玻璃转变温度与结晶温度都随着稀土添加而升高,同时玻璃的可加工性能得到改善。研究了稀土添加铌酸盐玻璃陶瓷的结晶行为。随着热处理温度的上升,BaO-Na2O-Nb2O5-SiO2体系玻璃陶瓷经历了陶瓷相由单一钨青铜结构到钨青铜与钙钛矿结构两相共存的晶相演化过程。Rietveld全谱分析表明在高温热处理的BaO-Na2O-Nb2O5-SiO2体系玻璃陶瓷中,稀土离子掺杂到陶瓷相中。在BaO-Na2O-Nb2O5-SiO2-Lu2O3体系玻璃陶瓷(1000℃结晶)中当Lu2O3添加量大于1mol%时,有新的结晶相岀现。在PbO-Na2O-Nb2O5-SiO2-R2O3(R=La, Gd)与(Pb0.4, Sr0.6)O-Na2O-Nb2O5-SiO2-La2O3体系玻璃陶瓷(900℃结晶)中随着稀土添加岀现了异于钨青铜与钙钛矿两种结构相的另一种具有焦绿石结构的晶体相。对基本介电性能的研究表明,随着稀上添加铌酸盐玻璃陶瓷的介电常数升高,特别是在BaO-Na2O-Nb2O5-SiO2-La2O3体系玻璃陶瓷(1000℃结晶)中当La2O3添加量由0增大到3mol%时,其介电常数由328提高到754,提高了130%。介电损耗都能够保持较低的水平。在一些体系中,稀土添加起到了提高介电常数与介电损耗的频率与温度稳定性的作用。对于SrO-Na2O-Nb2O5-SiO2-R2O3(R=La, Gd)、 PbO-Na2O-Nb2O5-SiO2-R2O3(R=La, Gd)、(Pb0.6, Ba0.4)O-Na2O-Nb2O5-SiO2-R2O3(R=La, Gd)与(Pb0.4, Sr0.6)O-Na2O-Nb2O.5SiO2-R2O3(R=La, Gd)体系玻璃陶瓷,稀土添加改善了其介电常数电场稳定性。在SrO-Na2O-Nb2O.5-SiO2-R2O3(R=La, Gd)、 PbO-Na2O-Nb2O5-SiO2-R2O3(R=La, Gd)(?)本系玻璃陶瓷中,稀土添加降低了漏电流密度。添加稀土与升高热处理温度都使极化曲线包围的面积与最大极化强度Pmax增加,然而在SrO-Na2O-Nb2O5-SiO2-R2O3(R=La, Gd)、 PbO-Na2O-Nb2O5-SiO2-R2O3(R=La, Gd)与(Pb0.4, Sr0.6)O-Na2O-Nb2O5-SiO2-R2O3(R=La, Gd)体系玻璃陶瓷中,极化曲线包围的面积与最大极化强度P_max随着稀土添加而减小高温热处理的铌酸盐玻璃陶瓷的直流击穿场强都符合二参数Weibull(?)布函数,并且添加稀土都提高了玻璃陶瓷的平均击穿场强强。借助玻璃陶瓷在接近击穿时的极化曲线,得到玻璃陶瓷的储能密度与能量释放密度都随着稀土添加而得到改善。显微分析表明纳米陶瓷颗粒均匀的分布于玻璃基体中,玻璃陶瓷结构致密。随着结晶温度升高,陶瓷相的尺寸与含量都逐渐变大。稀土添加起到优化玻璃陶瓷显微结构的作用,在BaO-Na2O-Nb2O5-SiO2-Lu2O3体系玻璃陶瓷中,随着Lu2O3含量增加,生成一种含Lu的新相。HAADF-STEM与EDS mapping分析表明,BaO-Na2O-Nb2O5-SiO2-Gd2O3体系玻璃陶瓷中的Gd元素进入了陶瓷相,正是由于这种掺杂效应而对玻璃陶瓷整体的介电性能产生影响。