丝网印刷法制备钛酸铋钠基铁电厚膜材料及其储能行为研究

摘要

随着电子器件向着集成化与小型化的方向发展,高储能密度与高储能效率的电容器成为了研究的热点。环境的日益恶化要求电子行业采用环境友好型的无铅材料,由于(1)与线性介电材料和反铁电材料相比,铁电材料更适合作为高储能密度电介质材料;(2)厚膜材料相比于块体材料和薄膜材料有整体储能较大的优势。因此本论文主要研究钛酸铋钠(Na0.5Bi0.5TiO3,简称NBT)基铁电厚膜的储能性能。
　　本文采用丝网印刷法在氧化铝基片上成功制备了NBT基铁电厚膜。使用X射线衍射仪(XRD)和扫描电镜(SEM)对制得的样品进行物相和微观结构分析;采用精密LCR数字电桥对厚膜的介电性能进行测试;采用带有高压源的综合铁电测试系统对铁电厚膜的电滞回线(P-E)进行测试,按照韦伯分布计算样品的击穿场强(BDS),同时根据P-E测试图计算其储能密度及储能效率,使用吉时利数字源表对厚膜的漏电流性能进行测试。
　　通过XRD物相分析将NBT粉体的制备工艺定为:Na过量2mol％,Bi过量5mol%,预烧温度850oC下保温3h。确定粉体预烧工艺后,通过添加Ba-B-Si玻璃粉和Bi-Li氧化物烧结助剂对NBT厚膜的烧结过程进行改善,结果表明这两种烧结助剂的加入均能使 NBT厚膜的储能密度提高。其中添加1wt% Ba-B-Si玻璃粉的NBT厚膜在900oC保温12h的烧结工艺下获得的最大储能密度为2.0J/cm3,添加3wt%Bi-Li烧结助剂的NBT厚膜在900oC保温8h的烧结工艺下获得的最大储能密度为1.7J/cm3。
　　在以上实验的基础上,研究了钛酸钡(BaTiO3,简称BT)掺杂对NBT基铁电厚膜储能性能的影响。结果表明:添加5wt%的Bi-Li烧结助剂,适量的BT的掺杂能够同时提高样品的击穿场强和饱和极化值(Pmax)与剩余极化值(Pr)的差值,使得储能性能提高。当 BT的掺杂量为3mol%时,得到的最大储能密度为2.4J/cm3,并且该组分厚膜的储能性能表现出了良好的温度稳定性。同时,NBT-xBT组分的漏电流密度相比纯NBT均有所下降。
　　此外,还研究了钛酸锶(SrTiO3,简称ST)掺杂对NBT基铁电厚膜储能性能的影响。结果表明:添加3wt%的Bi-Li烧结助剂,当ST的含量为30%时,最大的储能密度为2.7J/cm3,储能效率达到了相对较高的50%,同时该组分的储能性能表现出了良好的温度稳定性,NBT-ST组分的漏电流相比纯NBT均有所降低。

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引言

1 绪论

1.1 高储能密度电容器研究现状

1.2 高储能密度电介质材料的研究现状

1.3 NBT基铁电材料的结构与性质

1.4 本文研究的意义及内容

2 NBT基铁电厚膜材料的制备及其性能表征

2.1 引言

2.2 丝网印刷法制备NBT基铁电厚膜的工艺流程

2.3 NBT基铁电厚膜的结构表征及性能测试

2.4 NBT粉体的制备及工艺参数优化

3 Ba-B-Si玻璃粉添加对NBT铁电厚膜储能性能的影响

3.1 添加Ba-B-Si玻璃粉的的NBT铁电厚膜的制备工艺优化

3.2 添加Ba-B-Si玻璃粉对NBT铁电厚膜结构及储能性能的影响

3.3 本章小结

4 Bi-Li烧结助剂添加对NBT铁电厚膜储能性能的影响

4.1 添加Bi-Li烧结助剂的NBT铁电厚膜的制备工艺优化

4.2 添加Bi-Li烧结助剂对NBT铁电厚膜结构及储能性能的影响

4.3 本章小结

5 BT掺杂对NBT铁电厚膜储能行为的影响

5.1 引言

5.2 BT掺杂NBT铁电厚膜制备工艺优化

5.3添加Bi-Li烧结助剂的NBT-xBT铁电厚膜储能性能研究

5.4 本章小结

6 ST掺杂对NBT铁电厚膜储能行为的影响

6.1 引言

6.2 ST掺杂NBT铁电厚膜制备工艺优化

6.3添加Bi-Li烧结助剂的NBT-xST铁电厚膜储能性能研究

6.4 本章小结

结论

参考文献

在学研究成果

致谢