充满型钨青铜钽酸盐陶瓷的储能特性

摘要

电介质储能在高功率脉冲电容等领域有着十分重要的应用。随着电子行业的迅速发展，对具有高储能密度和高储能效率的电介质电容器的需求自然日益增加。其中，线性电介质材料因其介电强度高、损耗小等优点，是一类重要的电介质储能材料。钨青铜是仅次于钙钛矿的一大类非常重要的电介质材料，有适中的介电常数和非常低的介电损耗，是一类非常有前景的线性储能材料。本论文系统地研究了具有线性电介质特征的充满型钨青铜钽酸盐陶瓷的储能特性，并对陶瓷的击穿机理进行了初步探讨。 Ba5LaTi3Ta7O30陶瓷是典型的线性电介质材料。采用标准固相烧结法，在烧结温度为1550℃的时候陶瓷致密度最高（~95%）。其介电损耗低(~10-3)，介电常数为159。通过韦伯分布拟合得到的介电强度为639kV/cm，计算得到最佳的储能密度为2.9J/cm3,储能效率约为82%。当烧结温度为1525℃的时候，获得了最大的储能效率(94%)，对应的介电强度和储能密度分别为585kV/cm和2.3J/cm3。通过对陶瓷击穿通道的观察，初步探究了陶瓷的热击穿机制。 为了获得具有细小晶粒和低气孔率的致密Ba5LaTi3Ta7O30陶瓷，通过提高陶瓷的介电强度的方法获得更高的储能密度，采用放电等离子烧结法（SPS）在1040℃制得致密度为98%的陶瓷。通过韦伯分布拟合得到的介电强度为1061.3kV/cm，储能密度增加到12.4J/cm3。另外利用高能球磨的方法制出了更加细小的陶瓷粉末，进而影响SPS烧结过程，陶瓷的介电强度进一步提高到1263.5kV/cm，得到了更高的储能密度为14.1J/cm3。 由于Ba5LaTi3Ta7O30陶瓷烧结温度较高，而放电等离子体烧结法很难实现大规模生产，因此探索烧结性能更好的Sr5LaTi3Ta7O30陶瓷和Sr4La2Ti4Ta6O30陶瓷的储能性能。使用传统固相烧结法制备Sr5LaTi3Ta7O30和Sr4La2Ti4Ta6O30陶瓷。当Sr5LaTi3Ta7O30陶瓷的烧结温度为1375℃的时候获得了最大的介电强度为742.6kV/cm和最佳的储能密度4.18J/cm3。

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