【摘 要】
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介电陶瓷电容器由于具有高功率密度、成本低、稳定性好等优点,已在消费、医疗、军事和工业等高功率系统中得到大量应用。然而,目前介电陶瓷电容器大多数使用的是铅基材料,这些材料中含有的铅元素会对环境造成污染并损害人体健康。因此,绿色环保的无铅介电陶瓷电容器受到了人们广泛的关注。但是,迄今为止无铅介电陶瓷电容器的储能密度相对于铅基介电陶瓷电容器较低,为了实现其在高功率储能领域的大规模应用,必须进一步提高无铅
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介电陶瓷电容器由于具有高功率密度、成本低、稳定性好等优点,已在消费、医疗、军事和工业等高功率系统中得到大量应用。然而,目前介电陶瓷电容器大多数使用的是铅基材料,这些材料中含有的铅元素会对环境造成污染并损害人体健康。因此,绿色环保的无铅介电陶瓷电容器受到了人们广泛的关注。但是,迄今为止无铅介电陶瓷电容器的储能密度相对于铅基介电陶瓷电容器较低,为了实现其在高功率储能领域的大规模应用,必须进一步提高无铅介电陶瓷电容器的储能密度。钛酸锶钡（（Ba,Sr）TiO3,BST）基无铅介电储能陶瓷在室温下处于顺电状态,具有良好的铁电和介电特性,被认为是最适合高功率储能应用的无铅介电材料之一。但是BST陶瓷由于存在缺陷而具有较低的击穿场强和储能密度,这也阻碍了其在高储能密度电容器领域的推广。本文采用传统的固相反应法通过复合几种不同的电介质来调控其储能行为,并表征了多相复合技术对其微观结构以及电学性能的影响。具体研究和成果如下:1、通过复合Ag Nb O3（AN）,构建（1-x）Ba0.6Sr0.4TiO3-x Ag Nb O3顺电体-反铁电体陶瓷体系。结果表明AN的引入成功提高了陶瓷的击穿场强和弛豫性。当x=0.12时,陶瓷获得了可回收储能密度Wrec=2.45 J/cm~3和储能效率η=88.87%的综合性能,击穿场强为310 k V/cm。2、制备了（1-x）Ba0.6Sr0.4TiO3-x Na Nb O3陶瓷,通过测试发现所得样品具有亚微米极的超细晶粒尺寸和较高的弛豫度γ。0.85BST-0.15NN最优组分陶瓷具有520 k V/cm的高击穿场强,表现出极高的可回收储能密度Wrec=6.10 J/cm~3和高储能效率η=87.44%。另外,该陶瓷还具有极高功率密度PD=221.66 MW/cm~3、高电流密度CD=1231.42 A/cm~2和极短放电时间t0.90=62 ns。该实验结果进一步验证了顺电体-反铁电体复合策略的可行性。3、在（1-x）Ba0.6Sr0.4TiO3-x Na Nb O3陶瓷体系的实验基础上,进一步引入Bi3+,构建（1-x）Ba0.6Sr0.4TiO3-x Na0.7Bi0.1Nb O3陶瓷体系,提高了陶瓷室温下的介电常数和最大极化值。该体系最优组分x=0.15样品具有360 k V/cm的击穿场强,实现了可回收储能密度Wrec=3.67 J/cm~3和储能效率η=85.95%的综合性能。4、在（1-x）Ba0.6Sr0.4TiO3-x Na Nb O3陶瓷体系的实验基础上,进一步引入Ta5+,设计了（1-x）Ba0.6Sr0.4TiO3-x Na Nb0.6Ta0.4O3陶瓷体系。Na Nb0.6Ta0.4O3（NNT）的引入大幅度提高了陶瓷的储能效率,0.85BST-0.15NNT最优组分陶瓷能在400 k V/cm的高击穿场强下保持极高储能效率η=97.77%和高可回收储能密度Wrec=4.42J/cm~3。此外,该陶瓷在350 k V/cm电场下储能效率随频率、温度、循环次数的变化率均在5%以内,体现了其良好的稳定性。
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