无铅弛豫铁电陶瓷结构调控与储能性能研究
发布时间：2021-06-11 11:10
电子工业系统集成化和小型化的快速发展,迫切需要应用于脉冲功率和混合动力车等领域的储能元器件具有高功率密度,快速充放电和高储能密度等优异性能。介电陶瓷因功率密度高、温度稳定性好等优点而成为研究热点,但较低的储能密度却限制了介电陶瓷在储能领域的应用。本文选取BaTiO3（简称BT）,Na0.5Bi0.5TiO3（NBT）和Ba1-xSrx TiO3（BST）三种典型的铁电陶瓷作为研究对象,系统地研究了外离子掺杂对铁电陶瓷相结构、微观形貌、介电、铁电和储能性能的影响。利用离子掺杂固溶,将三种典型的铁电体陶瓷转变为弛豫铁电陶瓷,降低其剩余极化和矫顽场,同时提升陶瓷的电击穿场强,进而有效增强陶瓷的弛豫特性,最终获得较高的储能密度和效率。采用传统的固相反应制备了（1-x）BaTiO3-xCaSnO3（x=0.05,0.10,0.15,0.20）无铅储能陶瓷,研究了CaSnO3掺杂对...
【文章来源】：西南大学重庆市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
文献中不同储能装置的能量密度与功率密度的关系[11]
西南大学工程硕士学位论文4图1.2四种典型电介质材料的电滞回线[11]；(a)线性电介质；(b)铁电体；(c)弛豫铁电体；(d)反铁电体Fig.1.2Hysteresisloopsoffourtypicaldielectric[11]s;(a)Lineardielectrics;(b)Ferroelectrics;(c)Relaxorferroelectrics;(d)Antiferroelectrics图1.2(a)描述的是线性电介质材料的极化强度与电场的关系，可以表示为：=0E(1-5)将式子（1-5）代入（1-4）中，计算可以得到线性电介质的储能密度，为：=120E2(1-6)由上式（1-6）可知，对于这种线性电介质材料而言，提高储能密度的关键是提高其介电常数和击穿场强。近些年被广泛研究的线性电介质主要有SrTiO3，CaTiO3和TiO2等[22,23]。这些线性电介质陶瓷材料一般都具有中等击穿场强以及低介电损耗等优点，但是由于自身的最大极化较低，储能密度不高，因此不适合作为高储能电容器材料加以应用。铁电体一般是指具有自发极化，且自发极化能在外电场的作用下发生转向的一类材料。图1.2(b)为铁电体材料的极化强度与电场的关系。不同于线性电介质，铁电体P-E曲线呈非线性特征。除了极化值随外电场变化较大外，最大极化也比
西南大学工程硕士学位论文17图3.1(a)BT-xCS陶瓷的XRD图谱和(b)拉曼光谱图Fig.3.1(a)XRDpatternsand(b)RamanspectrumofBT-xCSceramics一般来说，根据Goldschmidt容差因子τ可以估计晶格中的掺杂位置[30,87-89]，公式如下：τ=+√2(+)(3-1)式中，τ为容差因子，RA、RB和RO分别代表A位离子、B位离子和氧离子的半径。通常，如果容差因子接近1，则结构接近理想的钙钛矿结构[25]。Ba2+、Ti4+、Ca2+、Sn4+和O2-的半径分别为1.61、0.61、1.34、0.69和1.35[30,55,90-94]。通过公式（3-1）分别计算Ca2+在A位和B位，Sn4+在A位和B位的容差因子τ及半径差比（r/r%），结果见表3.1。结果表明Ca2+在A位和Sn4+在B位时的τ值接近1，而且Ca2+和Sn4+的半径分别接近Ba2+和Ti4+的半径，所以Ca2+更有可能占据A位[95]和Sn4+占据B位。这些结果与Y.Sun等人[49]的结果一致。钙钛矿中的离子取代可以用下面的等式来描述：→+(3-2)22→+2(3-3)
本文编号：3224424
【文章来源】：西南大学重庆市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
文献中不同储能装置的能量密度与功率密度的关系[11]
西南大学工程硕士学位论文4图1.2四种典型电介质材料的电滞回线[11]；(a)线性电介质；(b)铁电体；(c)弛豫铁电体；(d)反铁电体Fig.1.2Hysteresisloopsoffourtypicaldielectric[11]s;(a)Lineardielectrics;(b)Ferroelectrics;(c)Relaxorferroelectrics;(d)Antiferroelectrics图1.2(a)描述的是线性电介质材料的极化强度与电场的关系，可以表示为：=0E(1-5)将式子（1-5）代入（1-4）中，计算可以得到线性电介质的储能密度，为：=120E2(1-6)由上式（1-6）可知，对于这种线性电介质材料而言，提高储能密度的关键是提高其介电常数和击穿场强。近些年被广泛研究的线性电介质主要有SrTiO3，CaTiO3和TiO2等[22,23]。这些线性电介质陶瓷材料一般都具有中等击穿场强以及低介电损耗等优点，但是由于自身的最大极化较低，储能密度不高，因此不适合作为高储能电容器材料加以应用。铁电体一般是指具有自发极化，且自发极化能在外电场的作用下发生转向的一类材料。图1.2(b)为铁电体材料的极化强度与电场的关系。不同于线性电介质，铁电体P-E曲线呈非线性特征。除了极化值随外电场变化较大外，最大极化也比
西南大学工程硕士学位论文17图3.1(a)BT-xCS陶瓷的XRD图谱和(b)拉曼光谱图Fig.3.1(a)XRDpatternsand(b)RamanspectrumofBT-xCSceramics一般来说，根据Goldschmidt容差因子τ可以估计晶格中的掺杂位置[30,87-89]，公式如下：τ=+√2(+)(3-1)式中，τ为容差因子，RA、RB和RO分别代表A位离子、B位离子和氧离子的半径。通常，如果容差因子接近1，则结构接近理想的钙钛矿结构[25]。Ba2+、Ti4+、Ca2+、Sn4+和O2-的半径分别为1.61、0.61、1.34、0.69和1.35[30,55,90-94]。通过公式（3-1）分别计算Ca2+在A位和B位，Sn4+在A位和B位的容差因子τ及半径差比（r/r%），结果见表3.1。结果表明Ca2+在A位和Sn4+在B位时的τ值接近1，而且Ca2+和Sn4+的半径分别接近Ba2+和Ti4+的半径，所以Ca2+更有可能占据A位[95]和Sn4+占据B位。这些结果与Y.Sun等人[49]的结果一致。钙钛矿中的离子取代可以用下面的等式来描述：→+(3-2)22→+2(3-3)
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