【摘 要】
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陶瓷电容器因具有较大的功率密度被广泛用于各种脉冲功率设备,但是低的储能密度是其应用发展的短板。虽然对电容器施加极高的电场能获得可观的储能密度,但是严苛的应用条件使得开发在中低电场下即能够实现高储能密度的陶瓷显得更有意义。而且,从实际应用出发,陶瓷具有良好的温度稳定性是其稳定工作的基础。Sr0.7Bi0.2TiO3（SBT）陶瓷具有较高的储能效率和击穿强度,然而,较低的最大极化强度(Pmax)限制了
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陶瓷电容器因具有较大的功率密度被广泛用于各种脉冲功率设备,但是低的储能密度是其应用发展的短板。虽然对电容器施加极高的电场能获得可观的储能密度,但是严苛的应用条件使得开发在中低电场下即能够实现高储能密度的陶瓷显得更有意义。而且,从实际应用出发,陶瓷具有良好的温度稳定性是其稳定工作的基础。Sr0.7Bi0.2TiO3（SBT）陶瓷具有较高的储能效率和击穿强度,然而,较低的最大极化强度(Pmax)限制了其储能密度,且该陶瓷温度稳定性较差,不能满足变温环境应用的要求。本文通过固溶、掺杂和包覆等方法,提高了SBT基陶瓷在中低电场条件下的储能密度和储能效率,同时也提升了其温度稳定性和击穿场强。具体研究工作如下:将传统铁电体Bi0.5Na0.5TiO3（BNT）固溶于SBT,通过提升SBT基陶瓷的Pmax来提升其储能密度,增加陶瓷在宽温范围内的温度稳定性。采用固相法制备了（1-x）Sr0.7Bi0.2TiO3-x Bi0.5Na0.5TiO3（记为（1-x）SBT-x BNT,x=0.00,0.15,0.30,0.45）陶瓷。随着BNT含量增加,陶瓷的Pmax增加,最大介电常数（εm）和对应的温度（Tm）均逐渐增大。在130 k V/cm外电场下,相较纯SBT陶瓷(Pmax=16.50μC/cm~2),0.55SBT-0.45BNT陶瓷的Pmax提升至33.90μC/cm~2,可回收储能密度(Wrec)达到1.49 J/cm~3,储能效率（η）为70.9%。在2.1℃～300.0℃温度范围内该陶瓷的容温变化率（TCC）≤15%。采用B位受主Mn掺杂,通过增强晶格离子的无序性和引入缺陷偶极子来优化0.55SBT-0.45BNT陶瓷的储能效率。采用固相法制备了0.55SBT-0.45BNT-x%mol Mn（x=0.5,1.0,1.5,2.0,简称为0.55SBT-0.45BNT-x Mn）陶瓷,随着Mn掺杂量的增加,陶瓷的室温介电常数和介电损耗均呈现先减小后增大的趋势,且x=1.5时介电损耗最小。在130 k V/cm外电场下,x≤1.5陶瓷组分的储能效率均大于85.0%。此时,0.55SBT-0.45BNT-1.5Mn陶瓷的Wrec为1.23 J/cm~3,η为85.4%。在击穿场强（188k V/cm）下,0.55SBT-0.45BNT-1.5Mn陶瓷的Wrec为2.08 J/cm~3,η为83.5%。最后,通过对陶瓷粉体包覆高阻性、宽禁带的ZrO2来提升陶瓷的击穿强度和最大储能密度。采用沉淀法对0.55SBT-0.45BNT-1.5Mn陶瓷粉体包覆ZrO2,分别制备了n1（0.55SBT-0.45BNT-1.5Mn）/n2（ZrO2）=6/1,12/1,18/1,24/1（记为1/x Zr陶瓷,x=6,12,18,24）的陶瓷。实验证明,包覆ZrO2可以降低陶瓷的晶粒尺寸（由2.13μm降低至1.75μm）,增加陶瓷的击穿场强和储能密度,并使所有样品均符合EIA X9T标准（在-55℃～200℃温度范围内,-33%＜TCC＜22%）。其中,1/18 Zr陶瓷样品的击穿场强达到249 k V/cm,此时其Wrec为2.70 J/cm~3,η为88.8%。在205 k V/cm电场下的变温P-E曲线测试表明,1/18 Zr陶瓷在20℃～140℃的温度范围内储能密度变化率小于10%。
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