(1-x)NBT-xST无铅陶瓷的电卡效应和储能性能

摘要

铁电材料的电卡效应制冷具有高效、节能、环保、成本低的优点，且尺寸可变,可以满足不同设备的制冷要求。目前无铅铁电陶瓷电热制冷存在的问题有：制冷温差多小于1K；工作温度区间较窄；工作温度过高或过低偏离室温。钛酸铋钠（Na0.5Bi0.5TiO3，NBT）被认为是最有希望代替铅基材料、应用前景最广阔的无铅压电材料之一。在退极化温度附近具有铁电/反铁电相变，利用该相变可以获得较大电热温变。本文利用钛酸锶（ST）调控NBT陶瓷的退极化温度，实现室温附近制冷的目的。此外，当退极化温度降低到室温以下时，NBT-ST陶瓷室温时为反铁电相，可以获得较大的储能密度。
　　利用X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜研究ST含量对（1-x）NBT-xST陶瓷微观结构和表面形貌的影响，并结合室温下介电性能研究其漏电行为。研究发现ST的引入可以降低陶瓷的晶粒尺寸，增大室温下的陶瓷的介电常数。
　　利用（1-x）NBT-xST陶瓷室温下的电滞回线以及介电温谱确定其退极化温度及相结构。结果表明：ST可以降低陶瓷的铁电性，当ST含量为10％和15%时为铁电相；ST含量为25%和26%时为铁电反铁电共存区；ST含量为30%和40%时为反铁电相。利用变温电滞回线对铁电相区与准同型相区的组分进行电卡效应评价。随着ST含量的增加，(1-x)NBT-xST陶瓷的制冷工作温度降低。在外电场为50 kV/cm时，25 mol%ST掺杂的NBT陶瓷在60℃获得了最大的电热温变（ΔT=1.63 K）；26 mol%ST掺杂的NBT陶瓷的有效工作温区可达40℃（30℃-70℃）。
　　利用单边电滞回线分别计算不同温度和不同电场下的（1-x）NBT-xST陶瓷的储能性能。室温下，30 mol%ST掺杂的NBT陶瓷在65kV/cm外电场作用下可逆储能密度最大（W=0.65J/cm3）。在50kV/cm外电场作用下，26 mol%ST掺杂的NBT陶瓷在100℃时获得最大有效储能密度为0.7J/cm3。此外，通过Mn2+置换增强击穿电场。室温时0.5 mol%Mn2+置换0.7NBT-0.3ST陶瓷在外电场95kV/cm时获得最大储能密度为0.96 J/cm3。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究目的与意义

1.2 电卡效应及研究进展

1.3反铁电储能及其研究进展

1.4 本文主要研究内容

第2章 样品制备工艺及表征方法

2.1 材料的制备

2.2 陶瓷的微观结构表征

2.3 陶瓷的电性能测试及表征

第3章（1-x）NBT-xST陶瓷微观结构与漏电行为研究

3.1 引言

3.2 两步合成(1-x)NBT-xST陶瓷的微观结构与漏电特征

3.3 一步合成(1-x)NBT-x ST陶瓷的微观结构与漏电特征

3.4 本章小结

第4章 (1-x)NBT-xST陶瓷的电热效应研究

4.1 引言

4.2 (1-x)NBT-xST陶瓷的相变行为研究

4.3(1-x)NBT-xST陶瓷的电热效应研究

4.4 本章小结

第5章 (1-x)NBT-x ST陶瓷的储能性能研究

5.1 引言

5.2 储能的影响因素

5.3 Mn置换对(1-x)NBT-xST陶瓷储能性能的影响

5.4 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢