储能脉冲电容器用PLZST介电性能研究

摘要

陶瓷储能电容器能实现瞬间大电流、高电压放电，在储能脉冲功率器件中具有不可替代的地位。然而当前受到其储能密度低的限制，远远不能满足人们对储能器件小型化、集成化的要求。研制高储能密度脉冲电容器，使其兼具传统蓄电池和一般电容器的特点与所长，是未来储能元器件的重要发展趋势。而其核心在于研制陶瓷储能介质材料，因而研发高储能密度陶瓷介质具有重要意义。
　　本文分析了各种储能介质材料的发展趋势和优缺点，选取反铁电陶瓷(Pb0.97La0.02)(Zr0.5Sn0.44Ti0.06)O3(PLZST)为研究对象。以提高反铁电材料的储能密度为目的，在PLZST基础上，运用离子掺杂的原理，提出了(1-x)PLZST-xBiYO3(PLZST-BY)的掺杂方式。采用传统固相法制备出不同比例多组元改性的PLZST-BY，研究发现BiYO3掺杂提高了PLZST的烧结温度且添加BiYO3对PLZST的频率稳定影响极小。由于Bi3+和Y3+的掺杂引入的缺陷浓度和第二相焦绿石相的增多，介电常数随着BY的掺杂量先增大后减小。BY掺杂降低了PLZST的AFE-FE相变电场，结果在同样的电场下掺杂PLZST具有更高的储能密度。而随着BY掺杂量的加入，提高了陶瓷的致密性，陶瓷的击穿电场明显上升。在掺杂量为x=0.3的样品中，陶瓷的击穿电场达到了22.1kV/mm。在x=0.1掺杂样品中，击穿电场达到了14.6kV/mm，储能效率为83.3％，储能密度能达到0.80J/cm3，比纯的PLZST块材储能密度高近2.7倍。
　　本文进一步选取了高介电常数、高耐压、低损耗Ba-B-Al-Si玻璃为添加剂。Ba-B-Al-Si玻璃具有高击穿场强～12MV/cm，与PLZST陶瓷复合有利于提高陶瓷的击穿强度。本文采用高温熔融法制备了Ba-B-Al-Si无碱玻璃粉末，并与PLZST基料混合制备具有玻璃相包覆结构的玻璃陶瓷。Ba-B-Al-Si玻璃降低了陶瓷的烧结温度。结果证明Ba-B-Al-Si玻璃对陶瓷击穿电场提升是有效的，在7wt%掺杂样品中击穿电场达到了13.69kV/mm。然而Ba-B-Al-Si和陶瓷的相互之间存在两相扩散，导致产生了热离子极化提高了损耗，掺杂同时降低了陶瓷的极化强度，储能密度和储能效率有所下降。
　　通过流延、等静压制备MLCC单层陶瓷介质生瓷带，研究了厚度对PLZST单层介质介电性能的影响。并对流延工艺与PLZST的烧结制度进行了摸索，通过工艺的改进充分发掘PLZST的储能潜力，流延厚膜总储能密度高达2.01J/cm3。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 储能脉冲电容器研究背景与发展

1.2 储能陶瓷介质的研究进展

1.3 储能介电陶瓷的主要性能参数

1.4 储能脉冲电容器的关键技术

1.5 本文的研究目的与内容

2.1 实验所用原料和仪器

2.2 实验分析与测试方法

2.3 实验方案设计

第三章 (1-x)PLZST-(x)BiYO3性能研究

3.1 基本理论模型简介

3.2 (1-x)PLZST-(x)BiYO3介质块材制备

3.3 物理性质分析

3.4 介电及储能特性

3.5 本章小结

第四章 PLZST/Ba-B-Al-Si玻璃复合性能研究

4.1 基本理论模型简介

4.2 PLZST/Ba-B-Al-Si玻璃复合块材制备

4.3 PLZST/Ba-B-Al-Si玻璃物相及表面形貌

4.4 PLZST/Ba-B-Al-Si玻璃复合块材介电性能分析

4.5 PLZST/Ba-B-Al-Si玻璃储能性能分析

4.6 本章小结

第五章 PLZST基单层介质电容器制备工艺与性能研究

5.1 流延法厚膜制备工艺

5.2 MLCC厚膜的烧结特性

5.3 MLCC单层介质厚膜性能及表征

5.4 本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果