钛酸铋钠基宽温、储能电介质陶瓷的结构与性能研究

摘要

电介质电容器在脉冲功率系统、电动汽车、航空航天、防御技术等领域广泛使用，是极其关键的电子元器件。电子元器件设计理念的小型化、轻量化以及应用领域的多元化，对电介质电容器的宽温稳定性和储能性能均提出了更高要求。因此，在新型电介质材料的开发中，宽温稳定性和高储能密度同等重要。 Bi0.5Na0.5TiO3（BNT）基固溶体是一种弛豫铁电体，介温谱表现出双介电峰结构，有利于宽温介温稳定性的获得；电滞回线表现出束腰形状，具有较高的最大极化强度和较低的剩余极化强度，有利于高储能密度的获得。无论是在温度稳定型电容器的应用方面，还是在储能电容器的应用方面，BNT基体系都表现出一定的潜力。本论文以BNT基固溶体陶瓷块体为研究对象，致力于开发一种新型的BNT基宽温、高储能介质材料。 本研究工作首先从组成较为简单的二元固溶体入手，以BNT为基体，NaNbO3（NN）为固溶组元，制备出了一系列宽温介温稳定性优异的BNT-NN陶瓷材料：当NN含量为25 mol%~35 mol%时，陶瓷的介电常数?r150℃在960~1240之间，介电损耗tan??150℃约为0.02，在-60~400℃的超宽温度范围内容温变化率TCC150℃小于10%。这一优异的介温稳定性，无论是在BNT基陶瓷体系中，还是与其他温度稳定型介质材料相比，都具有极大的优势。 然而，受到基体BNT的限制，BNT-NN二元体系的储能性能并未得到较大的优化。于是，在接下来的研究工作中，以新的基体Bi0.5Na0.5TiO3-BaTiO3（BNT-BT）代替BNT，制备并获得了一系列兼具有宽温介温稳定性与高储能密度的BNT-BT-RN（R=Na,Li,K,Ag）三元陶瓷体系。其中，当NN含量为10 mol%时，陶瓷的介电常数?r150℃接近3000，介电损耗tan??150℃约为0.003，容温变化率不超过±15%的工作温度范围可达260℃，最大储能密度达到1.81 J/cm3（样品厚度为0.30 mm，电场强度为13.81 kV/mm），且在25~150℃温度范围内，储能密度显示了良好的稳定性。 此外，针对性能优化的BNT-BT-NN三元体系，论文还分析了其在高温、高压条件下的失效行为，并预测了材料在其他不同条件下的平均失效时间。预测0.90(BNT-BT)-0.10NN陶瓷在室温、7 kV/mm电场强度下的失效时间为6.03×106 h；当温度上升到150℃，失效时间减小为19 h。对BNT基三元体系陶瓷样品的失效分析进一步完善了该体系的高温性能研究，并为BNT基电容器器件的失效分析打下了基础。 无论是在以上BNT-NN二元体系中，还是在BNT-BT-RN三元体系中，通过固溶改性都极大地提高了BNT基陶瓷的储能性能与介温稳定性。一方面，储能密度的提高得益于铁电性减弱从而细化的极化曲线，但是由于耐压强度限制，最大有效储能密度未能进一步改善。陶瓷的耐压强度与其绝缘性能密切相关，因此改善陶瓷的绝缘性能有助于获取更好的储能性能。而弄清楚陶瓷的导电机理是从根本上寻求改善绝缘性能方法的途径，进而对进一步提高BNT基陶瓷的储能性能具有指导意义。本文借助交流阻抗分析手段，以性能优化的BNT-BT-NN三元体系为研究对象，分析了BNT基三元陶瓷体系的导电机理。通过建立等效电路图，对陶瓷样品不同温度下的阻抗图谱进行拟合并计算出陶瓷的电导率。BNT-BT-NN陶瓷的电导率与温度的关系符合阿仑尼乌斯定律，计算出电导激活能为1.24~1.55 eV，该值约为带隙宽度的一半，因此认为，BNT-BT-NN陶瓷的主要导电方式是本征电子导电。另一方面，宽温介温稳定性的提高则得益于极度宽化的介温曲线，BNT基陶瓷的介电弛豫行为为此贡献了主要力量。依据“BNT弛豫体理论”，BNT基陶瓷中存在两种结构的纳米极性微区（PNRs），并随着温度变化发生相互转化。然而，这一特征结构变化对宏观介电弛豫行为的影响关系尚不明确。为了弄清楚这一问题，建立起“结构—性能”对应关系，本文以性能优化的BNT-BT-NN三元体系为研究对象，从电模量图谱入手，结合弛豫铁电体的特点，计算出各陶瓷样品的特征温度Tf、TB，并建立了陶瓷中两种PNRs随温度及组分的演化情况。

目录

声明

第1章 引言

1.1储能介质陶瓷概述

1.2 BNT基陶瓷的特点及其在储能方面的研究现状

1.3课题的提出与研究内容

第2章 BNT基陶瓷的制备方法及结构、性能的表征手段

2.1 BNT基陶瓷的制备

2.2 BNT基陶瓷结构、性能的表征手段

第3章 BNT二元宽温、储能介质体系的制备与研究

3.1 BNT-NN陶瓷的结构

3.2 BNT-NN陶瓷的介电性能

3.3 BNT-NN陶瓷的铁电性能与储能性能

3.4本章小结

第4章 BNT三元宽温、储能介质体系的制备与研究

4.1基体的选择

4.2 BNT-BT-NN宽温、储能介质陶瓷的结构与性能分析

4.3 BNT-BT-RN ( R=Li, K, Ag ) 宽温、储能介质陶瓷的结构与性能分析

4.4本章小结

第5章 基于BNT三元体系的导电机理及高温弛豫行为研究

5.1复阻抗谱分析基础

5.2 BNT三元陶瓷体系的阻抗谱拟合与导电机理研究

5.3 BNT三元陶瓷体系的高温弛豫行为研究

5.4 BNT-BT-NN陶瓷电学行为与结构特征对应关系的建立

5.5本章小结

第6章 结论

致谢

参考文献

攻读学位期间获得与学位论文相关的科研成果目录