放电等离子烧结法制备高储能密度的钛酸锶钡基陶瓷

发布时间：2017-08-13 01:33

  本文关键词：放电等离子烧结法制备高储能密度的钛酸锶钡基陶瓷

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【摘要】：随着脉冲功率技术和储能器件的发展,对电能储存器件的高密度、高效率、环保等要求逐渐提高。陶瓷电介质材料因具有介电常数高、功率密度大、充放电时间短、老化速度慢、机械性能好、温度稳定性高等优点备受关注,但具有较多气孔、杂质等缺陷导致击穿场强较低,整体的储能密度不高。本课题是利用放电等离子烧结(SPS)方法制备得到高致密度的陶瓷样品,SPS是通过脉冲电流的焦耳热以及机械加压作用达到快速低温致密化烧结,已被广泛应用于各类新型材料的制与研究。因此本研究是基于高介电常数的钙钛矿型Ba0.6Sr0.4TiO3陶瓷材料,并对其进行多种添加改性,结合SPS的烧结,达到提高其击穿场强和储能密度的目的。同时系统地探索了其结构、微观形貌、介电性能和储能性能等,主要结果如下：放电等离子烧结法能有效降低烧结温度,比传统固相烧结法低300-400℃,陶瓷致密度均在99.9%以上,微观形貌晶粒较均匀细小。同时SPS制备的陶瓷样品的介电性能呈现弥散特征,相变峰宽化。相比于固相法,SPS烧结对陶瓷电介质材料的储能性能有较好的提高作用,对于纯Ba0.6Sr0.4TiO3材料,击穿场强为230kV/cm,储能密度达到了1.28J/cm3。在Ba0.6Sr0.4TiO3中添加了适量57%SiO2-17%A12O3-15%B2O3-9%ZnO-2%K2O玻璃粉末后,从两方面提高了陶瓷样品的击穿场强：(1)玻璃作为烧结助剂,进一步降低烧结温度,细化晶粒；(2)利用了玻璃的液相烧结机制,减小样品的晶粒尺寸、气孔缺陷等,使获得均匀致密的微观结构,从而有效提高了致密度和击穿场强。陶瓷的电滞回线呈现细长型,剩余极化强度减小,因此使得储能密度得到提高。当玻璃添加量在5wt%时,击穿场强达到了440kV/cm,此时储能密度为2.0 J/cm3。相比于纯Ba0.6Sr0.4TiO3陶瓷,击穿场强提高了91.3%,而储能密度提高了56.3%。添加了少量ZnO的Ba0.6Sr0.4TiO3复相陶瓷,其介电常数始终保持较大值,由于ZnO的加入具有调控晶粒生长的作用,其微观晶粒结构均匀致密,击穿场强也有一定的提高。结果表明,当ZnO添加量为1mo1%时,陶瓷的击穿场强为260kV/cm,储能密度达1.55J/cm3,储能效率有90.1%。
【关键词】：放电等离子烧结 钛酸锶钡陶瓷 玻璃 氧化锌 击穿场强 储能密度
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ174.756
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-32
• 1.1 引言10-12
• 1.2 电介质储能材料概述12-23
• 1.2.1 电介质储能原理12-14
• 1.2.2 电介质储能密度的影响因素14-15
• 1.2.3 高储能密度电介质材料研究现状15-23
• 1.2.3.1 聚合物电介质材料15-18
• 1.2.3.2 玻璃陶瓷电介质材料18-21
• 1.2.3.3 陶瓷电介质材料21-23
• 1.3 Ba_(1-x)Sr_xTiO_3基储能陶瓷23-25
• 1.3.1 Ba_(1-x)Sr_xTiO_3的晶体结构23-24
• 1.3.2 Ba_(1-x)Sr_xTiO_3基陶瓷的储能性能24-25
• 1.4 放电等离子烧结(SPS)技术25-29
• 1.4.1 SPS技术的原理与装置26-28
• 1.4.2 SPS技术的应用28-29
• 1.4.2.1 纳米材料28
• 1.4.2.2 梯度功能材料28-29
• 1.4.2.3 电磁材料29
• 1.4.2.4 陶瓷材料29
• 1.4.3 SPS技术展望29
• 1.5 课题的提出与研究内容29-32
• 第二章 放电等离子烧结制备Ba_(0.6)Sr_(0.4)TiO_3-Glass复相陶瓷32-50
• 2.1 前言32
• 2.2 试样制备与测试32-35
• 2.2.1 试样的制备32-34
• 2.2.1.1 Ba_(0.6)Sr_(0.4)TiO_3粉末的制备32-33
• 2.2.1.2 57%SiO_2-17%Al_2O_3-15%B_2O_3-9%ZnO-2%K_2O玻璃粉末的制备33-34
• 2.2.1.3 放电等离子烧结制备(100-x)wt%Ba_(0.6)Sr_(0.4)TiO_3-xwt%Glass复相陶瓷34
• 2.2.2 试样的测试34-35
• 2.2.2.1 密度测试34
• 2.2.2.2 X射线衍射测试34-35
• 2.2.2.3 SEM测试35
• 2.2.2.4 介电性能测试35
• 2.2.2.5 铁电性能测试35
• 2.3 实验结果与讨论35-47
• 2.3.1 烧结特性35-37
• 2.3.2 相组成及分析37-39
• 2.3.3 微结构分析39-40
• 2.3.4 介电性能40-43
• 2.3.5 储能性能43-47
• 2.4 小结47-50
• 第三章 放电等离子烧结制备Ba_(0.6)Sr_(0.4)TiO_3-ZnO复相陶瓷50-60
• 3.1 引言50
• 3.2 试样制备与测试50-51
• 3.2.1 试样的制备50
• 3.2.2 试样的测试50-51
• 3.3 实验结果与讨论51-59
• 3.3.1 烧结特性51-52
• 3.3.3 微结构分析52-54
• 3.3.4 介电性能54-56
• 3.3.5 储能性能56-59
• 3.4 小结59-60
• 第四章 总结60-62
• 参考文献62-70
• 致谢70-72
• 个人简历72-74
• 攻读学位期间发表的学术论文与取得的其它研究成果74

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前7条

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本文编号：664738