钛酸钡基铁电陶瓷的介电储能特性研究

发布时间：2022-01-15 01:56

　　储能用电介质材料具有功率密度高,充放电速率快,温度稳定性好,抗老化性强等优点,使其在混合动力汽车、医疗激光、石油勘探、定向武器等电力、电子系统中的应用日益广泛,特别是在高能脉冲功率技术领域有着不可替代的应用前景。但是,电介质储能材料的储能密度相对较低。因此,提高材料的储能密度是该领域的研究重点难点。其中,弛豫铁电材料由于其较高的介电常数、较低的剩余极化强度和“线性度”较高的电滞回线,具有实现兼备高储能密度和高储能效率的潜力。BaTi03是应用最广泛的介电材料之一,被誉为“电子陶瓷产业的支柱”,具有介电常数大,介电损耗小,耐压性强、绝缘性好等特点,在介电、铁电、压电等领域都得到了广泛关注与研究。然而,BaTi03剩余极化强度大、介电性温度稳定性差等特点限制了其作为介电储能材料的发展与应用。因此,本论文采用取代改性的方式,通过向BaTi03中掺入铋基钙钛矿结构Bi（B’B"）03,形成（1-x）BaTi03-xBi（B’B"）O3体系,通过组分调节,构造BaTi03基弛豫铁电体,提高BaTi03基铁电陶瓷材料的介电储能性质。在BaTiO3-Bi（B’B"）03体系中,根据化合价守恒,B’B... 

【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

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【学位级别】：博士

【部分图文】：

图１．２分子中固有极矩的取向极化示意图??Ｆｉｇ．?１．２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｄｉｐｏｌｅ?ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ?ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ??

?山东大学博士学位论文???电介质的储能密度公式为：??Ｗ＝＾?Ｅ?■?ｄＤ?（１．１２）??对于本论文研宄的ＢａＴｉ０３基介电陶瓷材料，由于其相对介电常数较大，远??大于１，根据公式（１．１１）的关系，结合公式（１．９），储能密度公式（１．１２）可写??为：??Ｗ＝＾Ｅ－ｄＰ?（１．１３）??电容器充放电的示意图如图１．３所示，电容器充电过程沿箭头方向顺时针向??上，放电过程沿箭头方向逆时针向下。如图中标识，五〇为外加电场，Ｐｎｉ为最大??极化强度，Ｐ，为剩余极化强度，红色阴影部分为放电能量密度绿色部分为??充放电过程中产生的损耗奶。ＳＳ，充电能量密度Ｆ为灰ｒｅｅ和奶ＱＳＳ二者之和。??ｐ?Ｅｎｅｒｇｙ?ｓｔｏｒａｇｅ?ｄｅｎｓｉｔｙ??ｉ＾ｒｉ??＾?Ｅｎｅｒｇｙ?ｌｏｓｓ??Ｅｌｅｃｔｒｉｃ?ｆｉｅｌｄ?（ｋＶ／ｃｍ）??图１．３电容器充放电能量密度示意图??Ｆｉｇ．?１．３?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｄｉｓｃｈａｒｇｅ?ａｎｄ?ｃｈａｒｇｅ?ｅｎｅｒｇｙ?ｄｅｎｓｉｔｙ??放电过程能量密度具体公式为：??ＷＫｒ＼＇＾ＥｄＰ?（１－１４）??充电过程能量密度具体公式为：??＾＝Ｊ〇／ｎ，Ｅ?■?ｄＰ?（１．１５）??充放电的储能效率为：??＂令腦?（１．１６）??（注：以上公式中变量标注加粗为矢量，未标注加粗为标量。后文中不作具体说明时，将不??再ｋ分矢量、标量）??６??

?山东大学博士学位论文???１．４?ＢａＴｉ０３基弛豫铁电陶瓷的储能研究基础??１．４．１?ＢａＴｉ〇３的结构与性质基础??ＢａＴｉ０３是典型的铁电体材料，具有介电常数大、介电损耗低等特点，其优异??的电学性质使其在介电、压电、热释电、铁电等方面都受到了广泛关注与研宄［ｉｎ－??Ｕ９］。ＢａＴｉ０３是经典的Ｊ５０３型钙钛矿结构铁电体，其结构如图１．８所示，Ｂａ２＋占??立方体的顶角乂位（紫色圆球），配位数为１２，离子半径为］．６１?Ａ；?Ｔｉ４＋占立方??体体心５位（蓝色圆球），配位数为６，离子半径为０．６０５?Ａ；?０２＋位于立方体面??心（绿色圆球），与Ｔｉ４＋构成氧八面体ｆｉ０６?（蓝色半透明八面体）。??ｔ??图１．８?ＢａＴｉ０３的Ｍ０３钙钛矿结构图??Ｆｉｇ．?１．８?ＡＢＯ＾?Ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ＢａＴｉＯ＾??ＢａＴｉ０３ｌ＿在室温时表现为四方晶系空间群，晶格常数ａ?＝?６＜Ｃ，?ａ?＝??Ａ?＝?ｙ?＝?９０。；随温度升高，超过居里温度（ｒｃ？１２０。〇，?ＢａＴｉ０３会发生四方晶系??向立方晶系的结构相变，对称性提高。在四方相，ＢａＴｉ０３在无外电场情况下，氧??八面体的Ｔｉ４＋沿ｃ轴移动，偏离中心位置，产生自发极化，具有铁电性，温度大??于居里温度时符合居里外斯定律；在立方相，氧八面体的Ｔｉ４＋位于中心位置，不??产生自发极化，不具有铁电性。在室温以下，随温度的降低，会发生四方相向正??交相的转变，相变温度约为５°Ｃ，当温度持续下降到－９０°Ｃ时，ＢａＴｉ０３进入三方??相。ＢａＴｉ０３随温度的结构相变示意图如图１．９所示。??在室温下，ＢａＴｉ０３随电场变


本文编号：3589663