论文部分内容阅读
随着脉冲功率系统小型化和轻量化的发展,开发具有更高储能密度的电介质材料成为当前研究的热点。本文选取钛酸锶钡(Ba1-xSrxTiO3)基陶瓷作为研究对象,系统地研究了制备工艺、微观结构和相组成对材料储能性能的影响。同时,结合数值模拟,预测了钛酸锶钡基陶瓷的介电击穿过程和储能密度。得到的主要结论如下:陶瓷的微观结构会直接影响其击穿场强,而微观结构又和制备工艺密切相关。传统固相烧结(CM)制备的Ba0.4Sr0.6TiO3样品致密度较低且微观结构不均匀。放电等离子烧结(SPS)制备的样品相对致密度均在99%以上,陶瓷晶粒细小且粒径分布均一。因此,相比于CM样品,微结构的改善使得SPS样品的击穿场强从180 kV/cm提高到260 kV/cm,最大储能密度从0.61 J/cm3提高到1.20 J/cm3,储能效率从72.6%提高到91.6%。为研究晶粒尺寸效应对材料击穿场强和储能密度的影响,本文采用溶胶凝胶法结合放电等离子烧结制备了具有不同晶粒大小的Ba0.4Sr0.6TiO3致密陶瓷,结果表明,平均晶粒尺寸约为200 nm的样品的储能性能最佳,其击穿场强高达240 kV/cm,最大储能密度为1.23J/cm3,储能效率为94.52%。在Ba0.4Sr0.6TiO3陶瓷中添加高绝缘性的MgO颗粒能有效地提高其击穿场强。由于SPS烧结温度低且烧结时间短,Ba0.4Sr0.6TiO3基体和MgO之间的扩散和化学反应被有效地抑制。结果显示,性能最佳的复相陶瓷组分为95 wt%Ba0.4Sr0.6TiO3+5 wt%MgO,其击穿场强达到300 kV/cm,最大储能密度为1.50 J/cm3,储能效率为88.5%。制备核壳结构的复相陶瓷也是提高材料储能性能的重要手段。本文采用液相法制备了具有不同摩尔分数的Ba0.4Sr0.6TiO3@SiO2核壳结构粉末,并结合放电等离子烧结获得了致密的Ba0.4Sr0.6TiO3@SiO2复相陶瓷。结果表明,核壳结构的界面处在750℃左右开始发生化学反应,原本均匀包覆在Ba0.4Sr0.6TiO3颗粒表面的无定型SiO2壳层结构逐渐消失,取而代之的是反应生成的Sr2TiSi2O8相。当SiO2包覆量较少时,生成的Sr2TiSi2O8纳米颗粒均匀包覆在Ba0.4Sr0.6TiO3基体表面并显著地提高复相陶瓷的击穿场强;随着SiO2含量的增多,Sr2TiSi2O8纳米颗粒聚集长大,在Ba0.4Sr0.6TiO3晶界处形成微米颗粒,使得其击穿场强有所下降。性能最佳的复相陶瓷组分为92 mol%Ba0.4Sr0.6TiO3 + 8 mol%Si02,其击穿场强高达400kV/cm,最大储能密度为1.60J/ccm3,储能效率为90.9%。在Ba0.4Sr0.6TiO3/MgO复相陶瓷中,Ba0.4Sr0.6TiO3基体的介电常数约为950,而MgO的介电常数仅为10。根据静电平衡方程,这种介电常数的巨大差异必然会导致局域电场的不均匀分布,从而影响介电击穿过程。本文基于随机模型,模拟了钛酸锶钡基陶瓷和氧化镁基陶瓷的击穿路径。结果表明,在Ba0.4Sr0.6TiO3基材料中,无论添加的MgO第二相是球状还是棒状,放电通道都会尝试“绕过”MgO晶粒;而在MgO基材料中,放电通道总是倾向于“穿过”Ba0.4Sr0.6TiO3晶粒。最后,基于Landau-Devonshire唯象理论和Ginzburg-Landau方程,本文利用相场模型模拟了Ba1-xSrxTiO3单晶和多晶的铁电性能,并通过模拟的电滞回线计算了其储能密度。结果表明,随着Sr含量的增加,其储能密度先增加后减小,当x=0.6时材料具有最佳的储能性能。