高储能密度铌酸盐铁电玻璃陶瓷制备及性能研究

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本论文在BaO-SrO-Nb2O5-B2O3-SiO2玻璃中引入Na2O、TiO2、BaF2,采用差热分析仪、X-射线衍射仪、扫描电子显微镜和电学性能测试仪等系统研究了添加氧化物、氟化物对SBN玻璃陶瓷相组成、显微结构、介电性能、体积电阻率、击穿强度及析晶动力学的影响规律。主要结果如下:系统地探讨了氧化钠对SBN玻璃陶瓷的析晶动力学、相组成及电性能的影响:氧化钠的加入降低了玻璃转变温度(Tg)和第一析晶放热峰温度(Tp1),而第二析晶放热峰(Tp2)则呈先降后升又降的变化。未添加氧化钠样品析出Ba0.5Sr0.5Nb2O6单相,氧化钠含量为5%时Ba0.25Sr0.75Nb2O6成为主相。当氧化钠含量大于10%时,主晶相为Ba0.25Sr0.75Nb2O6,但同时析出NaSr1.2Ba0.8Nb5O15、Na2Ba2Si2O7和Ba3Nb10O28相;当Na2O含量达到15mol%时,其它晶相的种类保持不变,同时析出Na2Nb8O21晶体。体积电阻率和击穿强度均随氧化钠含量的增加而降低,介电常数随氧化钠含量的增加呈“N”字母变化。未添加氧化钠试样的击穿强度最大为1500KV/cm,其储能密度达3J/cm3。将含5%氧化钠的SBN玻璃陶瓷作为典型组分进行不同温度热处理,所有样品均析出Ba0.27Sr0.75Nb2O6单相,体积电阻率呈“V”字母变化。介电常数、击穿强度、储能密度均随晶化温度的升高而增大,储能密度最大为4J/cm3。研究了二氧化钛对SBN玻璃陶瓷的析晶动力学、相组成及电性能的影响:二氧化钛的加入降低了析晶峰温度(Tp),但析晶活化能E则呈先升高后降低的变化;当二氧化钛为5%时,析晶活化能最大为359.46KJ/mol,动力学参数K(Tp)为0.174。未添加二氧化钛样品析出Ba0.25Sr0.75Nb2O6单相,二氧化钛含量为1%时,主晶相不变强度有所增加;当二氧化钛含量大于3%时,主晶相为Ba0.25Sr0.75Nb2O6,但出现第二相Ba3SrNb2O9和NaBa5TiNb9O30相。介电常数和体积电阻率均随二氧化钛含量的增加呈先增后减的趋势。击穿强度随二氧化钛含量的增加而降低。未添加二氧化钛试样的击穿强度最大为1200 KV/cm,其储能密度达2.8 J/cm3。将含5%二氧化钛的SBN玻璃陶瓷作为典型组成,研究了不同热处理温度对其相组成和电性能的影响: 800℃时析出Ba0.27Sr0.75Nb2O6铁电相,850℃时析出次晶相Ba3SrNb2O9,当晶化温度达到950℃时,样品中主晶相不变析出NaBa5TiNb9O30。随着晶化温度的升高介电常数和介电损耗均呈先升后降的变化趋势,提高晶化温度使击穿强度降低,储能密度呈“V”字母变化。研究了氟化钡对SBN玻璃陶瓷析晶行为、相组成及电性能的影响:随着氟化钡含量的增加,玻璃转变温度(Tg)和第一析晶放热峰(Tp1)温度呈“N”字母变化;第二析晶峰温度(Tp2)、析晶活化能E和析晶动力学参数K(Tp)均逐渐升高。在800℃/3h+900℃/3h进行热处理,未添加氟化钡样品析出Ba0.25Sr0.75Nb2O6单相;氟化钡含量为1%时,主晶相不变强度有所增加;当氟化钡含量大于3%时,主晶相仍不变强度有所下降;继续增加氟化钡含量为5%时主晶相仍为Ba0.25Sr0.75Nb2O6,但出现Ba3SrNb2O9和BaBF5相;当氟化钡含量达到7%时非铁电相BaBF5数量增加。介电常数、体积电阻率和击穿强度均随氟化钡含量的增加呈“M”字母变化。添加BaF2含量为1%时,试样的击穿强度最大为1400 KV/cm,其储能密度达5J/cm3
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