无铅非线性介电储能陶瓷:现状与挑战

相对于聚合物等储能介质材料,介电陶瓷具有温度稳定性好和循环寿命长的优点,是制备脉冲功率储能电容器的优秀候选材料。但目前介电陶瓷的储能密度相对较低,不能满足脉冲功率设备小型化的要求。因此,如何显著提高介电陶瓷的储能密度成为近年来功能陶瓷研究的热点之一。本文首先介绍了介电储能电容器对陶瓷材料性能的要求,然后结合本课题组的研究工作,评述了BaTiO3基、BiFeO3基、(K0.5Na0.5)NbO3基无铅弛豫铁电陶瓷和(Bi0.5Na0.5)TiO3基、AgNbO3基无铅反铁电陶瓷储能特性的研究现状,重点阐述了不同材料体系的组分设计思路及相关储能特性,分析了无铅非线性介电储能陶瓷所面临的机遇和挑战,指出了应对策略。最后,展望了下一步的研究方向和内容。     

高储能密度介电材料的研究进展

介绍了电介质材料储能密度的概念和测量方法,分别对陶瓷材料、聚合物材料和陶瓷-聚合物复合介电材料的研究进展进行了概述.在此基础上指出,在复相介电材料制备方法、组分优选、表面改性和加工工艺等方面进行深入研究是进一步提高电介质材料储能密度的有效途径.     

高储能陶瓷/聚偏氟乙烯复合电介质的研究进展

介电电容器作为间歇产生的可持续能源的高效存储转换设备,在新能源领域发挥着不可替代的作用。而电介质电容器的核心是具有高储能密度的电介质材料。聚合物电介质材料由于具有击穿场强高、放电速度快、能长时间使用并可自修复等特点,成为高性能电容器的潜力候选材料,但聚合物本身较低的介电常数限制了其储能密度。通过将具有高介电常数的陶瓷填料与聚偏氟乙烯(PVDF)聚合物复合,制备新型陶瓷/PVDF复合电介质,在提高电介质材料的介电性能和储能密度方面取得了重要进展。本文介绍了电介质材料的基本原理,综述了不同类型的陶瓷/PVDF复合电介质的结构、储能机制及介电储能性能,并对其未来发展趋势进行了展望。      

溶胶-凝胶法制备PbTiO3铁电玻璃陶瓷的高频晶粒尺寸效应

首次报道了用溶胶－凝胶法制备的钛酸铅铁电玻璃陶瓷的晶粒尺寸对其高频介电性能的影响。研究表明,铁电玻璃陶瓷的高频介电弛豫主要是由材料内部的畴壁共振引起的。晶粒尺寸增加,畴壁宽度增大,介电弛豫向低频移动;反之,晶粒尺寸减小,畴壁宽度变小,介电弛豫向高频移动,弛豫频率提高,介电损耗变小。     

高储能密度玻璃陶瓷材料的研究进展

介绍了电介质材料储能密度的概念,综述了陶瓷及玻璃陶瓷用于储能介质材料的研究进展,重点分析了影响介质材料储能密度的若干因素,展望了玻璃陶瓷电容器在军事、混合动力汽车及生物医学上的应用前景,指出了今后高储能密度介质材料的发展方向。     

聚合物/无机复合材料在介电材料领域的应用

综述了传统聚合物／无机杂化材料在介电材料领域应用的最新进展，以及聚合物／无机纳米复合材料作为介电材料应用的进展，特别是复合材料作为高储能、高介电强度、低损耗介电材料的研究进展和前景。     

烧结工艺对PMN—PT陶瓷介电,压电性能的影响

采用熔盐法得到了ＰＭＮ－ＰＴ陶瓷,研究了在不同烧结温度下ＰＭＮ－ＰＴ陶瓷的介电、压电性能,分析讨论了烧结温度、烧成密度、晶粒大涉以及晶界玻璃相与介电、压电性能的关系。结果表明,适当的晶粒大小以及采用不同烧结温度和退火工艺消除晶界玻璃相有利于压电、介电性能的提高,并对可能的机理进行了分析。     

新型介电功能材料进展

介电功能材料是一类重要的功能材料。它们在高新技术中有广泛的应用。本文概括地介绍了近年来同内外介电功能材料研究工作的新进展,包括新型无机压电铁电晶体材料、新型介电功能陶瓷、有机介电功能材料、复合介电功能材料、介电功能薄膜与纤维,以及新型介电功能材料的若干新应用等.     

丝网印刷B-Li玻璃掺杂Ba0.5Sr0.5TiO3厚膜介电性能研究

钛酸锶钡(BST)陶瓷材料在外置偏压直流电场作用下,具有高的介电可调性,可以广泛地应用于电可调陶瓷电容器以及无源可调微波器件的设计与开发.通过B-Li玻璃的有效掺杂,实现BST陶瓷材料与Ag、Cu贱金属电极材料的低温友好烧结,是发展混合集成厚膜电路的技术要求.主要采用丝网印刷工艺,在Al2O3陶瓷衬底上,制备了B-Li玻璃掺杂的Ba0.5Sr0.5TiO3厚膜材料,并对其最佳烧结温度、物相结构、显微形貌以及介电性能进行了研究.结果表明,B-Li玻璃掺杂的Ba0.5Sr0.5TiO3厚膜材料在950℃可以实现低温烧结,得到了厚度为20μm的均匀致密厚膜材料;相比于BST陶瓷块体材料,5%(质量分数)B-Li玻璃掺杂BST厚膜的居里峰发生了明显的弥散和宽化,介电常数显著降低;在室温和10kHz频率下,其介电常数为210,介电损耗为0.0037,介电可调性可达15%以上,可以适用于厚膜混合集成电路与可调器件的设计和开发.     

铁电陶瓷/铁氧体复合材料的相结构与介电性能

研究了铁电陶瓷/铁氧体混合烧结体的相结构与介电性能。在900℃制备出铁电陶瓷/铁氧体复合材料,该复合材料是介电材料相与铁氧体材料相共存的复相陶瓷。铁电陶瓷/铁氧体复合材料的介电性能在低温区域主要是介电材料相起作用,而铁氧体材料主要在高温部分对复合材料的介电性能起作用。采用两相混合分布的介电常数计算公式拟合了复相陶瓷的介温曲线,并提出修正指数因子α和β,建立修正方程。      

低介电玻璃的研究进展

新型电子、微电子和光电子元件的高功率化、高密度化、高集成化与高运行速度,需要新一代具有低介电性能的玻璃。表征了低介电玻璃的性能;根据玻璃组成的不同,分别介绍了石英玻璃、传统无机氧化物玻璃和微晶玻璃等低介电材料;最后展望了低介电玻璃发展趋势。     

Si-B-O系BST玻璃陶瓷制备及介电弥散研究

采用硝酸钡、硝酸锶、钛酸丁酯、正硅酸乙脂和硼酸三正丁脂为原料的溶胶凝胶方法制备了Si-B-O系BaxSr1-xTiO3玻璃陶瓷。通过差热分析(DTA)、热失重(TG)、X射线衍射(XRD)分析Si-B-O系BST玻璃陶瓷超细粉体合成过程及其相结构变化。采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)描述Si-B-O系BST玻璃陶瓷烧结体的相结构和显微组织结构变化。阻抗分析仪测量Si-B-O系BST玻璃陶瓷的-50～100℃介电温谱。实验结果表明：Si-B-O系BST玻璃陶瓷粉体的相结构为立方钙钛矿相结构,其合成温度为700℃．不存在第二相。Si-B-O系BST玻璃陶瓷的烧结温度低于传统工艺。Si-B-O系BST玻璃陶瓷的显微结构呈细晶结构。Si-B-O系BST玻璃陶瓷的介电常数ε随着烧结温度升高而增大．介电损耗tgδ随测试温度的增加而降低。随着晶粒平均尺寸的减小．Si-B-O系BST玻璃陶瓷样品的介电峰变低．平坦．宽化．存在介电峰弥散化的现象。     

夹心复合压电陶瓷的介电响应

夹心复合压电陶瓷由多孔陶瓷及其上下两层致密陶瓷组成。本工作研究了这种夹心复合压电陶瓷在100Hz～1000MHz 范围内的室温介电响应。这种材料在数百兆赫时出现介电弛豫,频响特性符合 Jonscher 提出的普适介电定律,介电指数 n 和 m 与多孔陶瓷的气孔率有关。经人工极化的样品,介电频响曲线上出现另外两处反常变化,分别相应于径向振动和厚度伸缩振动的贡献。     

介电陶瓷／聚合物复合材料

介电陶瓷/聚合物复合材料是介质材料的新领域,它的综合性能远优于各单独组分。本文在回顾其开发概况的基础上评述了BaTiO_3/PVDF介电复合材料的研究进展。据报道,70(wt)%BaTiO_3的BaTiO_3/PVDF复合材料有较高的介电常数和热释电系数等。对材料的XRD行为、在不同温度和不同频率的介电性变化亦有详细研究。表明介电陶瓷/聚合物复合材料是值得研究的、介电陶瓷和介电聚合物的理想替代材料。     

掺杂对PMN-10PT铁电陶瓷介电性能的影响

铌镁酸铅与钛酸铅组成比为9:1(PMN-10PT)的固溶体陶瓷是典型的弛豫铁电体,其介电行为与偶极玻璃的介电行为极为相似.本文使用常用的Swartz两步法,研究了基体掺杂不同物质对PMN-10PT铁电陶瓷的介电性能的影响.经研究发现,当掺入Li₂O时,材料的峰值介电常数为28640,大于纯PMN-10PT,而频率色散和弥散相变的程度都变小.当掺杂CaO和Yb₂O₃时,材料的峰值介电常数下降,分别为19300和18850,它们的频率色散和弥散相变的程度都变大了.同时通过拉曼光谱研究了PMN-10PT陶瓷的B位离子有序度的变化.     

Li1.0Nb0.6Ti0.5O3陶瓷的低温烧结其微波介电性能

研究了以Li1．0Nb0．6Ti0．5O3(LNT)陶瓷为基体, B2O3-ZnO-La2O3(BZL)玻璃为烧结助剂的复合材料的低温烧结行为及微波介电特性．研究表明,BZL玻璃能有效降低LNT陶瓷的烧结温度,掺入10wt％BZL玻璃的复合材料能够在900℃烧结致密．XRD与SEM分析结果表明,添加BZL玻璃的样品烧结后含有LNT和LaNbTiO6两种晶相,其中LaNbTiO6相是LNT与BZL玻璃在烧结过程中发生化学反应的产物．在LNT陶瓷中添加BZL玻璃使材料的介电常数和品质因数下降,但有助于减小体系的谐振频率温度系数．掺入10wt％BZL玻璃的复合材料在900℃烧结2h后获得了比较满意的微波介电特性:介电常数k≈58,品质因数Q×f≈4800GHz,谐振频率温度系数τf≈11×10-6／℃．     

CeO2掺杂的SrTiO3陶瓷的介电性质

SrTiO_3陶瓷是一种具有多功能特性的介质材料:用CeO_2掺杂改性的SrTiO_3陶瓷,可以提高其介电常数和降低介质损耗,对其介电温度特性和介电频率特性也有明显的改善。本文主要报道CeO_2对SrTiO_8陶瓷介电性质的影响。     

介电温度稳定型钛酸钡基陶瓷的研究进展

综述了介电温度稳定型钛酸钡基陶瓷的研究进展.概述了钛酸钡粉体的常用制备方法、改善介电温度稳定性的主要方法,以及低温烧结钛酸钡基陶瓷的研究现状.最后展望了介电温度稳定型钛酸钡基陶瓷的发展趋势和研究方向.     

La2O3掺杂的SrTiO3陶瓷的介电性质

SrTiO_3陶瓷是一种具有多功能特性的介质材料。用La_2O_3掺杂改性的SrTiO_3陶瓷,可以提高其介电常数和降低介质损耗,对其介电温度特性和介电频率特性也有明显的改善.本文主要报道 La_2O_3对SrTiO_3陶瓷介电性质的影响。     

高介电常数聚合物基复合材料研究进展

本文概述了目前高介电聚合物基复合材料的主要问题,论述了铁电陶瓷、导电颗粒(金属粒子、石墨、碳纳米管)改性高介电复合材料的国内外研究进展;重点介绍了酞菁铜、聚苯胺改性全有机高介电复合材料,探讨了存在的主要问题,并指出提高介电常数、储能密度,减小介电损耗,降低制备成本是未来发展的方向。