非化学计量比钛酸铋钠固溶体的阻抗特性与电学性能研究
发布时间：2021-07-17 15:51
钛酸铋钠（Na0.5Bi0.5TiO3,简称NBT）基无铅压电材料在压电和介电应用领域有广阔的前景,但它也是性能优良的氧离子导体,在作为固体氧化物燃料电池的电解质上有潜在的应用价值,所以引起了广泛的关注。相比其它氧离子导体,NBT基氧离子导体具有以下优点:1.在中低温操作温度下能得到较高的晶粒电导率;2.大部分材料在氧化或还原气氛下只有单纯的氧离子传导,不会产生电子电导;3.在还原气氛下不会产生大幅度的降解等。这些优点使得它具有很大的研究价值。但材料本身结构与性能的关系尚不明确,以及导电、介电等方面的性能有待提高。本文通过对钛酸铋钠进行掺杂,根据XRD、SEM、拉曼、交流阻抗、介电温谱、铁电等表征得出的结果来讨论钛酸铋钠基陶瓷的导电机理和它们的电学性能。Na0.5Bi0.5TiO3铁电体由于其在高温下高漏导电流,表现出氧离子导体的特性。采用传统固相反应法制备了 K和Ga共掺杂NBT陶瓷,并对其导电机理和电性能进行了研究。揭示了该化合物是氧离子传导主导的以及在氮气下的稳定性。随着K+浓度的降低和Na/K-O振动的增强,晶粒导电性得到了提高。过量的K掺杂阻碍了氧空位迁移,这是由于氧空位VO...
【文章来源】：西安科技大学陕西省
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
固体氧化物燃料电池原理图
一些问题，在高温还原气氛下容易被还原成Ce3+，产生电子电导，形成阻力降低电池的转化效率，而且导电温度区间窄[19]；另外，还原成Ce3+的过程中半径会增大，引起晶格畸变，对性能的稳定性造成影响。后来，人们进一步研究发现，共掺杂的CeO2体系可以有效避免以上问题。Wang等[20]制备的Gd3+、Sm3+共掺杂CeO2材料在500~700°C时，电导率可达0.048S/cm。另外，经常采用在CeO2电解质表面涂一层1~1.5μm的YSZ薄膜，也能有效解决CeO2基电解质的还原问题。现阶段，人们主要研究共掺杂CeO2基的稳定性和经济性。图1.2常见电解质的电导率比较[21]Figure1.2ComparisonofelectricalconductivityofcommonelectrolytesBi2O3是一种多晶型物质，主要有α、β、γ、δ相，在常见的以上几种电解质材料中，δ-Bi2O3基氧离子导体拥有最高的电导率，这是因为在它的氧格点上存在有大量的空位。离子电导率在500°C可达0.1S/cm，且它的烧结温度低，易于烧结成致密的陶瓷，使得电池内阻减小，有利于燃料电池。但δ-Bi2O3结构的氧离子导体存在的温度范围窄（730~850°C）且低温时由α→δ相会使晶胞体积增大，导致材料的断裂和性能的恶化[22]。通常采用掺杂的方法来拓宽δ-Bi2O3基电解质的使用温度。掺杂Er2O3的Bi2O3，电导率
1绪论7图1.3NBT晶体结构示意图[36]Figure1.3SchematicoftheNBTCrystalstructure1.3.1介电介电性能是指介电材料在外电场作用下发生电极化的现象，根据极化机理不同，可分为电子、离子、偶极子和界面极化。材料介电性能通常是多种极化共同作用的结果，不同极化对频率、时间的响应都不同。通常用介电常数、介电损耗、电导率等来描述介电性能。介电常数ε′是对极化强度的反应，极化越强介电常数则越高，介电常数会随着温度、频率的变化而变化。介电损耗tan则是电介质在电场作用下消耗部分电能以热能散失能量的过程，主要是由漏导损耗和极化损耗等造成。钛酸铋钠Na0.5Bi0.5TiO3,NBT是典型的弛豫铁电体，在室温下是三方相R3c结构，居里温度为320C，具有高的剩余极化(Pr=38μC/cm2)，较好的压电系数d33=73pC/N，较低的烧结温度(一般小于1200C)和相对较小的介电常数(εr=290~524)，同时较大的矫顽场Ec=73kV/cm和复杂的相变限制其应用。NBT的介电温谱中通常会出现两个介电异常峰，一个出现在去极化温度Td,200C附近，另一个是居里温度点Tm,320C。随着测试温度的升高，介电常数也随之增加并在Td附近具有强烈的频率色散表现出明显的弛豫特性，而介电常数在Tm处对频率的依赖性则随之减弱。Td的存在是三方相和四方相极性纳米区域热激活过程没有相变发生，Tm则是因为三方相和四方相极性纳米区域相变过程引起。对NBT进行改性，当不同阳离子占据同一晶格位点时，会造成晶格弛豫，使得相变峰会扩散，随着频率的升高Tm向高温移动。在两个介电峰之间会形成介电平台，当介电常数在较长的温度范围内具有较小的变化，介电损耗在较宽温度内具有较小值时0.02意味着该介电材料可在较高温度内使用。图1.4是(1-x)(0.6Bi0.5Na0.5TiO3-0.4Sr0
【参考文献】：
期刊论文
[1]锶镁共掺对Na0.5Bi0.5TiO3氧离子导体电学性能的影响分析[J]. 王伟国,王新福,汪聃,郝刚领. 材料工程. 2019(08)
[2]二氧化铈掺杂钛酸铋钠基陶瓷的高储能密度及温度稳定性[J]. 卫芳彬,张雷阳,王颖,李洋,刘岗. 材料导报. 2019(16)
[3]新型铅卤基钙钛矿材料及其应用[J]. 赵军伟,陈媛芝,申慧,王玉江. 应用技术学报. 2018(04)
[4]燃料电池用镓酸镧基电解质的研究进展[J]. 师瑞娟,刘俊龙,崔玉民,王洪涛. 化工新型材料. 2018(06)
[5](Bi0.5Na0.5)0.94Ba0.06Ti1-x(Sc0.5Ta0.5)xO3陶瓷结构与电学性能研究[J]. 丘伟,龚海宁,谢航,杨玲,许积文,王华. 电工材料. 2018(02)
[6]固体氧化物燃料电池电解质材料的研究进展[J]. 慕洋洋,孙晓涛,任常兴. 硅酸盐通报. 2017(S1)
[7]氧化铋基固体氧化物燃料电池电解质研究进展[J]. 苏莎,陈海清,谭令. 世界有色金属. 2013(S1)
[8]氮气氛围下热处理的Na0.5Bi0.5TiO3薄膜的低温介电性能研究[J]. 朱夏,李亚巍,沈育德,褚君浩. 南通大学学报(自然科学版). 2013(02)
[9]掺杂三氧化二锑的钛酸铋钠钾陶瓷的显微结构和电学性能[J]. 樊慧庆,邹敏江. 硅酸盐学报. 2012(04)
[10]锶掺杂量对La1-xSrxMnO3电极交流阻抗谱的影响[J]. 王靖,张勇,桑元杰,邓长生,徐景明. 稀有金属材料与工程. 2011(S1)
博士论文
[1]SOC复合燃料电极多相界面性能与电解质化学应力研究[D]. 朱诗悦.中国科学技术大学 2017
[2]掺杂ZrO2电解质的制备、性能及其导电性的DFT研究[D]. 吕振刚.天津大学 2007
本文编号：3288478
【文章来源】：西安科技大学陕西省
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
固体氧化物燃料电池原理图
一些问题，在高温还原气氛下容易被还原成Ce3+，产生电子电导，形成阻力降低电池的转化效率，而且导电温度区间窄[19]；另外，还原成Ce3+的过程中半径会增大，引起晶格畸变，对性能的稳定性造成影响。后来，人们进一步研究发现，共掺杂的CeO2体系可以有效避免以上问题。Wang等[20]制备的Gd3+、Sm3+共掺杂CeO2材料在500~700°C时，电导率可达0.048S/cm。另外，经常采用在CeO2电解质表面涂一层1~1.5μm的YSZ薄膜，也能有效解决CeO2基电解质的还原问题。现阶段，人们主要研究共掺杂CeO2基的稳定性和经济性。图1.2常见电解质的电导率比较[21]Figure1.2ComparisonofelectricalconductivityofcommonelectrolytesBi2O3是一种多晶型物质，主要有α、β、γ、δ相，在常见的以上几种电解质材料中，δ-Bi2O3基氧离子导体拥有最高的电导率，这是因为在它的氧格点上存在有大量的空位。离子电导率在500°C可达0.1S/cm，且它的烧结温度低，易于烧结成致密的陶瓷，使得电池内阻减小，有利于燃料电池。但δ-Bi2O3结构的氧离子导体存在的温度范围窄（730~850°C）且低温时由α→δ相会使晶胞体积增大，导致材料的断裂和性能的恶化[22]。通常采用掺杂的方法来拓宽δ-Bi2O3基电解质的使用温度。掺杂Er2O3的Bi2O3，电导率
1绪论7图1.3NBT晶体结构示意图[36]Figure1.3SchematicoftheNBTCrystalstructure1.3.1介电介电性能是指介电材料在外电场作用下发生电极化的现象，根据极化机理不同，可分为电子、离子、偶极子和界面极化。材料介电性能通常是多种极化共同作用的结果，不同极化对频率、时间的响应都不同。通常用介电常数、介电损耗、电导率等来描述介电性能。介电常数ε′是对极化强度的反应，极化越强介电常数则越高，介电常数会随着温度、频率的变化而变化。介电损耗tan则是电介质在电场作用下消耗部分电能以热能散失能量的过程，主要是由漏导损耗和极化损耗等造成。钛酸铋钠Na0.5Bi0.5TiO3,NBT是典型的弛豫铁电体，在室温下是三方相R3c结构，居里温度为320C，具有高的剩余极化(Pr=38μC/cm2)，较好的压电系数d33=73pC/N，较低的烧结温度(一般小于1200C)和相对较小的介电常数(εr=290~524)，同时较大的矫顽场Ec=73kV/cm和复杂的相变限制其应用。NBT的介电温谱中通常会出现两个介电异常峰，一个出现在去极化温度Td,200C附近，另一个是居里温度点Tm,320C。随着测试温度的升高，介电常数也随之增加并在Td附近具有强烈的频率色散表现出明显的弛豫特性，而介电常数在Tm处对频率的依赖性则随之减弱。Td的存在是三方相和四方相极性纳米区域热激活过程没有相变发生，Tm则是因为三方相和四方相极性纳米区域相变过程引起。对NBT进行改性，当不同阳离子占据同一晶格位点时，会造成晶格弛豫，使得相变峰会扩散，随着频率的升高Tm向高温移动。在两个介电峰之间会形成介电平台，当介电常数在较长的温度范围内具有较小的变化，介电损耗在较宽温度内具有较小值时0.02意味着该介电材料可在较高温度内使用。图1.4是(1-x)(0.6Bi0.5Na0.5TiO3-0.4Sr0
【参考文献】：
期刊论文
[1]锶镁共掺对Na0.5Bi0.5TiO3氧离子导体电学性能的影响分析[J]. 王伟国,王新福,汪聃,郝刚领. 材料工程. 2019(08)
[2]二氧化铈掺杂钛酸铋钠基陶瓷的高储能密度及温度稳定性[J]. 卫芳彬,张雷阳,王颖,李洋,刘岗. 材料导报. 2019(16)
[3]新型铅卤基钙钛矿材料及其应用[J]. 赵军伟,陈媛芝,申慧,王玉江. 应用技术学报. 2018(04)
[4]燃料电池用镓酸镧基电解质的研究进展[J]. 师瑞娟,刘俊龙,崔玉民,王洪涛. 化工新型材料. 2018(06)
[5](Bi0.5Na0.5)0.94Ba0.06Ti1-x(Sc0.5Ta0.5)xO3陶瓷结构与电学性能研究[J]. 丘伟,龚海宁,谢航,杨玲,许积文,王华. 电工材料. 2018(02)
[6]固体氧化物燃料电池电解质材料的研究进展[J]. 慕洋洋,孙晓涛,任常兴. 硅酸盐通报. 2017(S1)
[7]氧化铋基固体氧化物燃料电池电解质研究进展[J]. 苏莎,陈海清,谭令. 世界有色金属. 2013(S1)
[8]氮气氛围下热处理的Na0.5Bi0.5TiO3薄膜的低温介电性能研究[J]. 朱夏,李亚巍,沈育德,褚君浩. 南通大学学报(自然科学版). 2013(02)
[9]掺杂三氧化二锑的钛酸铋钠钾陶瓷的显微结构和电学性能[J]. 樊慧庆,邹敏江. 硅酸盐学报. 2012(04)
[10]锶掺杂量对La1-xSrxMnO3电极交流阻抗谱的影响[J]. 王靖,张勇,桑元杰,邓长生,徐景明. 稀有金属材料与工程. 2011(S1)
博士论文
[1]SOC复合燃料电极多相界面性能与电解质化学应力研究[D]. 朱诗悦.中国科学技术大学 2017
[2]掺杂ZrO2电解质的制备、性能及其导电性的DFT研究[D]. 吕振刚.天津大学 2007
本文编号：3288478
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