BSZT@NBT@BBZ储能陶瓷的制备及其性能的研究

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随着各行各业电子设备的需求急剧增长,具有高储能密度的介质材料逐渐成为人们的研究热点。介质材料的储能密度主要与饱和极化(Pm)、剩余极化(Pr)和击穿场强(BDS)有关。Ba0.8Sr0.2Zr0.1Ti0.9O3(BSZT)基弛豫铁电陶瓷材料因其良好的极化线性性而被认为是储能器件应用中很有潜力的材料,但是其极化差低(ΔP=Pm-Pr,可能小于10μC·cm-2),BDS小(通常小于15 k V/mm)限制了其作为原材料的广泛应用。因此,本文选择以BSZT为基体介质材料,利用高Pm的Na0.5Bi0.5Ti O3(NBT)和高电阻率的Bi2O3-B2O3-Zn O(BBZ)共同对其进行改性,从而制备出一种具有优良的储能性能的陶瓷材料。主要研究内容和结果如下:1.首先采用共沉淀法制备得到BSZT粉体,以及采用柠檬酸-硝酸盐法制备NBT粉体,然后以二者为原料制得BSZT-NBT陶瓷材料。研究发现,当NBT的掺杂量为6 wt.%时,BSZT-NBT陶瓷为菱形(R)相与四方(T)相共存的相组成。所制备的高活性NBT的引入不仅能够明显降低陶瓷的烧结温度,而且能够改善其微观组织结构,制得细晶陶瓷材料。随着NBT掺杂量的增加,陶瓷材料的介电常数及可恢复能量密度(Wrec)均呈现先增加后降低的趋势。当NBT掺杂量为6 wt.%时,在980°C烧结的BSZT-NBT陶瓷在19.50 k V/mm的击穿场强下拥有1.24 J·cm-3的Wrec和78.2%的储能效率(η)。2.以上面所得的BSZT-NBT粉体材料作为主基体材料,添加溶胶-凝胶法制备的BBZ复合物助烧剂,然后以二者为原料制得BSZT-NBT-BBZ陶瓷材料。研究发现,当BBZ的添加量为4 wt.%时,BSZT-NBT-BBZ陶瓷为纯的钙钛矿相。BBZ能够促进陶瓷的致密化过程,因此,当BBZ添加量为4 wt.%时,BSZT-NBT-BBZ陶瓷具有最佳的微观形貌。低介电常数的BBZ的添加稀释了铁电相,导致陶瓷的介电常数比纯BSZT-NBT有所降低,介电损耗也因为微观形貌的改善而降低。复合物BBZ的存在既保证了陶瓷材料的高Pm值,也将击穿场强提高至31.08 k V/mm。可见,当烧结温度为1000°C和BBZ的添加量为4 wt.%时,BSZT-NBT-BBZ陶瓷材料的Wrec和η分别为1.61 J/cm3和64.8%。3.基于以上的研究,引入“芯-壳”的异质结结构,即以共沉淀法制备的BSZT为“芯”部材料,利用溶胶-凝胶法包覆钙钛矿相的NBT,之后进一步采用溶胶-沉淀法包覆BBZ玻璃相,制得BSZT@NBT@BBZ粉体及相应的陶瓷材料。研究发现,通过以“芯-壳”结构引入NBT,增加钙钛矿结构中A位离子的紊乱度,破坏长程偶极子,打断原来的大尺寸的铁电畴,促使极性纳米微区(PNRs)的形成,这将明显降低电滞反应,而且可迅速对所施加的电场做出响应,从而提高陶瓷材料的储能性能。当NBT的包覆量为6 wt.%时,BSZT@NBT陶瓷在21.02 k V/mm的击穿场强下,拥有1.25 J/cm3的Wrec和78%的η。以“芯-壳”结构的方式包覆BBZ玻璃相,阻止陶瓷的晶粒长大,从而有利于形成细晶陶瓷材料。BBZ能够促进陶瓷的致密化和细晶化过程,从而促使陶瓷材料的介电平坦化和显著改善陶瓷的击穿场强。当陶瓷的烧结温度为1050°C时,BSZT@NBT@BBZ陶瓷在32.39 k V/mm的击穿场强场下,Wrec能够达到2.38J/cm3。可见,BSZT@NBT@BBZ陶瓷体系具有较好储能特性的来源可能归因于其弱耦合弛豫铁电行为和陶瓷晶粒的细化效应。
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