钛酸钙基线性电介质陶瓷的储能特性

发布时间：2023-11-17 17:12

　　电介质电容器以电场的方式储存能量,具有超高的功率密度,是脉冲功率系统的核心储能元件。而随着脉冲功率器件的小型化、低成本化与安全化的发展,对电介质电容器的储能密度提出了越来越高的要求。本文选取钛酸钙基线性电介质陶瓷作为研究对象,系统地研究材料的微观结构以及界面结构对材料的介电强度与储能密度的影响规律。同时,深入探讨了电介质陶瓷的介电击穿机制。得到了如下主要结论:从第一性原理出发,研究了 CaTiO3与CaZrO3的晶体结构、电子结构和声子结构对材料本征介电强度的影响。相较于CaTiO3,CaZrO3具有更高的禁带宽度以及略低的声子截止频率,因而具有非常高的本征介电强度,然而其宏观的介电常数较低。CaTiO3与CaZrO3的本征介电强度分别为4.5MV/cm与9.0MV/cm,室温下理论储能密度分别高达152J/cm3与107J/cm3。结果表明,在CaTiO3的B位引入适量的Zr4+,预计可以提高材料的禁带宽度同时保证较高的介电常数,继而提高CaTiO3的本征介电强度与储能密度。在 CaTiO3 体系中引入 Zr4+可改善 CaZrxTi1-xO3(x=0.0,0.1,0.2,0.3,0...

【文章页数】：120 页

【学位级别】：博士

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摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 引言
    1.2 储能电容器
        1.2.1 电介质电容器储能原理
        1.2.2 储能密度的测试方法
        1.2.3 影响储能密度的关键因素
    1.3 固体电介质的击穿
        1.3.1 电击穿
        1.3.2 热击穿
        1.3.3 机电击穿
    1.4 储能陶瓷材料的研究进展
    1.5 课题的提出与研究内容
第二章 CaTiO₃与CaZrO₃的本征介电强度
    2.1 前言
    2.2 计算方法
        2.2.1 密度泛函理论
        2.2.2 声子谱计算
        2.2.3 计算参数
    2.3 计算结果与讨论
        2.3.1 晶体结构
        2.3.2 电子结构
        2.3.3 声子结构
        2.3.4 本征介电强度
    2.4 小结
第三章 CaZr_xTi_1-xO₃线性电介质陶瓷的结构与储能性能
    3.1 前言
    3.2 试样制备与测试
        3.2.1 陶瓷样品的制备
        3.2.2 致密度的测试
        3.2.3 物相分析
        3.2.4 介电性能测试
        3.2.5 介电强度测试
        3.2.6 微结构表征
    3.3 实验结果与讨论
        3.3.1 烧结特性与相组成
        3.3.2 微结构
        3.3.3 储能性能
    3.4 结论
第四章 放电等离子烧结制备CaTiO₃陶瓷的介电及储能性能
    4.1 前言
    4.2 试样制备与测试
        4.2.1 陶瓷样品的制备
        4.2.2 微结构表征
        4.2.3 电学性能测试
        4.2.4 热学性能测试
    4.3 实验结果与讨论
        4.3.1 微结构
        4.3.2 电导率与热导率
        4.3.4 储能性能
    4.4 小结
第五章 具有超高储能密度三层结构的CaTiO₃陶瓷
    5.1 前言
    5.2 试样制备与测试
        5.2.1 样品的制备
        5.2.2 微结构与成分表征
        5.2.3 介电性能测试
    5.3 实验结果与讨论
        5.3.1 微结构与化学组分
        5.3.2 储能性能
    5.4 小结
第六章 直流强场下的固体电介质击穿
    6.1 前言
    6.2 击穿通道的表征与模型
        6.2.1 击穿通道的表征
        6.2.2 热击穿模型
    6.3 实验结果与讨论
        6.3.1 介电击穿行为
        6.3.2 热失稳模拟
    6.4 小结
第七章 总结
参考文献
附录
致谢
作者简历
攻读学位期间发表的学术论文与取得的其他科研成果



本文编号：3864541