掺杂对钛酸锶陶瓷介电性能的影响及其机制分析

发布时间：2018-02-01 11:42

  本文关键词： 高储能密度 Sr Ti O3陶瓷 储能电介质 等价掺杂 晶格畸变 氧空位 界面极化　出处：《武汉理工大学》2015年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：随着脉冲功率系统减小尺寸和减轻重量需求的增长,高储能密度固态电介质材料成为一个l6待解决的主要技术问题。电介质材料要具有高储能密度,必须具有较高的介电常数和较高的击穿强度。同时,储能介质具有较高的介电常数是脉冲功率系统小型化的前提,而储能介质具有较高的击穿强度是脉冲功率系统高压下应用的基本要求。因此,为制备出使脉冲功率系统小型化且符合高压脉冲形成线要求的固态储能介质,本论文选择具有相对较高介电常数和较高击穿强度的Sr Ti O3基陶瓷作为研究对象,对其进行等价掺杂,以期获得具有更高击穿强度的高储能密度Sr Ti O3基陶瓷。利用X射线衍射(XRD)、电子能谱(EDS)、扫描电镜(SEM)和交流阻抗等测试技术,研究了Mg、Ca、Zr等价掺杂Sr Ti O3基陶瓷的制备、介电性能和储能性能,探讨了等价掺杂Sr Ti O3基陶瓷高温弛豫和电导。为了获得更高的击穿强度,本文首先以离子半径较小的Mg2+掺杂Sr Ti O3的A位,用固相法制备了A位Mg掺杂Sr Ti O3陶瓷,即Sr1-x Mgx Ti O3陶瓷。当x≤0.020mol时,Mg掺杂A位;当x=0.040mol时,部分进入A位,还有部分进入B位,生成了Mg Ti O3杂相。Mg掺杂使得Sr Ti O3陶瓷晶粒尺寸减小,正负离子间的作用力增强,击穿强度提高,而介电常数变化很小。室温下,Mg掺杂Sr Ti O3陶瓷具有良好的介频稳定性和低介电损耗,在20Hz-2MHz范围的介电损耗都小于0.006。Sr0.99Mg0.01Ti O3陶瓷具有最大储能密度,其在362k V/cm场强下的放电储能密度为1.86J/cm3,是本实验中纯Sr Ti O3陶瓷储能密度值(1.44J/cm3)的1.29倍,是文献中报道的纯Sr Ti O3的储能密度值(0.7 J/cm3)的2.66倍,储能效率高于70%。为了进一步提高Sr0.99Mg0.01Ti O3陶瓷的击穿强度和储能密度,用Zr掺杂Sr0.99Mg0.01Ti O3陶瓷的B位。然而,Zr掺杂不利于Sr0.99Mg0.01Ti O3陶瓷烧结,晶粒尺寸异常长大,导致击穿降低,因而储能密度也减小。Ca Ti O3和Sr Ti O3都是钙钛矿结构,且Ca2+半径比Mg2+大,但比Sr2+小,因此,A位Ca掺杂Sr Ti O3陶瓷可能具有比Sr1-x Mgx Ti O3陶瓷更好的储能性能。Ca掺杂也使得Sr Ti O3陶瓷正负离子间的作用力增强,击穿强度提高,而介电常数稍增大。室温下,Sr1-x′Cax′Ti O3陶瓷也具有良好的频率稳定性和低介电损耗,在100Hz-2MHz频率范围介电损耗都小于0.006。Sr0.98Ca0.02Ti O3陶瓷具有最大储能密度,在333k V/cm场强下的放电储能密度为1.95 J/cm3,是本实验中纯Sr Ti O3陶瓷的1.35倍,是文献中纯Sr Ti O3陶瓷的2.79倍,储能效率大于72%。Zr4+能稳定钛酸盐中的Ti4+的价态,且能减小漏电流。因此,用Zr掺杂Sr0.98Ca0.02Ti O3陶瓷的B位,期望进一步提高Sr0.98Ca0.02Ti O3陶瓷的击穿强度和储能密度。少量的Zr掺杂反而降低了Sr0.98Ca0.02Ti O3陶瓷的烧结温度,Sr0.98Ca0.02Ti0.98Zr0.02O3陶瓷的最佳烧结温度从Sr0.98Ca0.02Ti O3陶瓷的1380℃降为1320℃。XRD、SEM和EDS分析发现,Zr除部分掺杂进入Sr0.98Ca0.02Ti O3陶瓷形成钙钛矿主晶相外,还存在富含Zr、O的椭圆形晶粒相。Sr0.98Ca0.02Ti(1-y′)Zry′O3陶瓷具有良好的频率稳定性,低介电损耗,在100Hz-2MHz频率范围介电损耗小于0.008。Sr0.98Ca0.02Ti(1-y′)Zry′O3陶瓷的储能效率都大于72%,且高场强下Zr掺杂Sr0.98Ca0.02Ti O3陶瓷的储能效率高于Sr0.98Ca0.02Ti O3陶瓷。B位Zr掺杂Sr0.98Ca0.02Ti O3陶瓷随着Zr掺杂量的增加,介电常数稍减小。Sr0.98Ca0.02Ti0.98Zr0.02O3陶瓷具有最大储能密度,在419k V/cm场强下的放电储能密度可达2.77J/cm3,是没有Zr掺杂的Sr0.98Ca0.02Ti O3陶瓷的1.42倍,是本实验中纯Sr Ti O3陶瓷的1.92倍,是文献中纯Sr Ti O3陶瓷的3.96倍。因此,Sr0.98Ca0.02Ti0.98Zr0.02O3陶瓷最有希望用作脉冲形成线的储能介质。A位、B位等价掺杂Sr Ti O3会产生晶格畸变,晶格畸变是否会对Sr Ti O3陶瓷弛豫和电导产生影响是个需要回答的问题,因此,本文研究了A位、B位等价掺杂Sr Ti O3基陶瓷的高温弛豫和电导。研究发现,Sr1-x Mgx Ti O3陶瓷和Sr1-x′Cax′Ti O3陶瓷高温弛豫都是由热激活的氧空位短程运动引起的,高温下的电导是热激活的氧空位的长程运动。B位Zr掺杂Sr0.99Mg0.01Ti O3陶瓷和B位Zr掺杂Sr0.98Ca0.02Ti O3陶瓷高温弛豫都是热激活的氧空位短程运动及其导致的界面极化,高温下的电导也是热激活的氧空位的长程运动。等价掺杂Sr Ti O3基陶瓷的高温弛豫和电导都与等价掺杂产生的晶格畸变无关,只与热激活的氧空位有关,而室温下氧空位不会被激活运动,因而对室温下的介电性能和储能性能影响较小。
[Abstract]:With the reduction in size and weight requirements of pulsed power system growth, high energy density solid dielectric materials become the main technical problems to be solved. A L6 dielectric material has high energy density, breakdown strength has higher dielectric constant and higher. At the same time, the energy storage medium with high dielectric constant the power system is the premise of miniaturization of the pulse energy storage medium with high breakdown strength is a basic requirement of application of pulse power system under high pressure. Therefore, for the preparation of an impulse power system miniaturization with high voltage pulse forming solid line storage requirements to medium, the Ti has a relatively Sr O3 based ceramics high dielectric constant and high breakdown strength as the research object, carries on the equivalent doping, in order to obtain higher breakdown strength of high energy density Sr Ti O3 ceramic using X ray. 琛嶅皠(XRD),鐢靛瓙鑳借氨(EDS),鎵�鎻忕數闀�(SEM)鍜屼氦娴侀樆鎶楃瓑娴嬭瘯鎶，

本文编号：1481775