【摘 要】
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电子电力系统的小型化与集成化的飞速发展使得在可控核聚变、新能源电动汽车、高端医疗器械等领域迫切需要一种具有高功率密度、快速充放电能力和高储能密度的电介质材料。Na0.5Bi0.5TiO3（NBT）基陶瓷电介质因具有高极化强度和优异的温度稳定性而被广泛研究,但其仍然存在击穿场强较低这一缺点。本文通过系统研究成分调控、2-2型复合及0-3型复合结构设计对NBT基陶瓷的影响,物相组成、微观结构、介电性能
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电子电力系统的小型化与集成化的飞速发展使得在可控核聚变、新能源电动汽车、高端医疗器械等领域迫切需要一种具有高功率密度、快速充放电能力和高储能密度的电介质材料。Na0.5Bi0.5TiO3（NBT）基陶瓷电介质因具有高极化强度和优异的温度稳定性而被广泛研究,但其仍然存在击穿场强较低这一缺点。本文通过系统研究成分调控、2-2型复合及0-3型复合结构设计对NBT基陶瓷的影响,物相组成、微观结构、介电性能、击穿特性和储能性能的影响,探讨了材料结构和性能之间的关系。主要研究成果及创新如下:研究了钛酸铋钠基陶瓷的击穿场强与剩余极化强度的调控工艺与机理,主要研究成果及创新如下:首先,采用传统固相反应法制备了（1-x）Na0.5Bi0.5TiO3-xSr0.7Bi0.2TiO3（x=0.35、0.45、0.55和0.65）陶瓷,并研究了其介电储能特性。结果表明,随着SBT含量增加,大尺寸晶粒减少,晶粒尺寸更加均匀。介电温谱中的介电峰值对应的温度Tm逐渐降低,介电常数的温度稳定性得到提高,并且铁电性减弱、弛豫性增强,宏观铁电畴被细化,从而使储能特性得到改善。在100 k V/cm的电场下,x=0.55时NBT-SBT陶瓷具有最佳的可释放储能密度1.34 J/cm~3及96.03%的储能效率。然后,利用具有高极化强度的0.65Na0.5Bi0.5TiO3-0.35SrTiO3（NBT-ST）陶瓷和高储能效率的0.45Na0.5Bi0.5TiO3-0.55Sr0.7Bi0.2TiO3（NBT-SBT）陶瓷进行2-2型复合。通过控制堆叠方式研究界面数量对击穿行为的影响。结果表明,层间界面的增加有利于击穿场强的提高。在单层NBT-ST/NBT-SBT交替堆叠的2-2型复合陶瓷中获得了最大的击穿场强242 k V/cm,实现了高可释放储能密度4.48 J/cm~3和约90%的储能效率。同时,NBT-ST/NBT-SBT复合陶瓷的储能性能也表现出优异的频率稳定性（10～200 Hz）和温度（25～125℃）稳定性。最后,由于NBT-ST/NBT-SBT 2-2型复合陶瓷界面扩散较为严重对储能性能有一定影响,选择了具有优异化学稳定性和高击穿场强的AlN进行复合,制备了0.45Na0.5Bi0.5TiO3-0.55Sr0.7Bi0.2TiO3/xAlN 0-3型复合陶瓷。结果表明,添加AlN显著降低了NBT-SBT陶瓷的晶粒尺寸和介电常数,提高了击穿场强。在x=6.0wt.%时,获得了具有360 k V/cm的超高击穿场强,90.12%的高储能效率以及5.53J/cm~3的超高可释放储能密度。
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