NaNbO3基无铅储能介质陶瓷研究进展

高性能环境友好型NaNbO₃(NN)基储能介质陶瓷由于其功率密度高、放电时间短,在脉冲功率电子器件方面具有广泛的应用。优异的储能性能及其温度稳定性、抗疲劳特性及工艺重复性等综合性能是NN基无铅陶瓷被广泛应用的前提。本文主要综述近几年来国内外有关NN基储能陶瓷的相结构调控、微观形貌优化、掺杂改性(A位、B位及A/B位共掺)以及相关机理研究方面的进展和动向。最后,对NN基无铅储能陶瓷在原料制备、烧结工艺、成型工艺、理论研究和器件研制方面的未来发展进行展望。     

AgNbO3基反铁电陶瓷储能性能研究进展

反铁电材料在场致诱发相变过程可释放与储存大量能量,在储能领域极具应用价值。无铅铌酸银(AgNbO₃)反铁电陶瓷作为环境友好型储能材料深受关注。在大量已有研究的基础上,本文从结构特性和性能调控的角度出发,重点介绍了以AgNbO₃为代表的无铅反铁电陶瓷在介电储能领域的最新进展;从组分调控和工艺优化两个角度总结了现有的储能性能调控手段,归类了储能性能增强的起源机制,并对铌酸银反铁电体陶瓷储能性能的进一步发展进行了展望。相信本文能为未来AgNbO₃基反铁电材料储能性能的提高提供新的研究思路。     

(Pb0.97La0.02)(Zr0.6Sn0.4)O3反铁电陶瓷的介电储能性能

电介质电容器具有超高的功率密度和超快的充放电速率,因而在脉冲功率技术中具有应用前景。利用固相法制备了(Pb_0.97La_0.02)(Zr_0.6Sn_0.4)O₃(PLZS)反铁电陶瓷,研究了不同烧结温度下PLZS陶瓷的晶体结构、微观形貌、介电性能、反铁电及储能性能。结果表明,不同温度烧结的样品均具有正交钙钛矿结构,且随着烧结温度的升高,陶瓷的致密度逐渐提高、晶粒尺寸也逐渐增大。因此,最佳温度下(1 225℃)烧结的陶瓷具有最佳的储能性能,可回收能量密度密度约13.3 J/cm³,储能效率约83.6%。     

铌酸钠基无铅陶瓷的弛豫反铁电相构筑与储能特性优化

开发具有优异综合储能特性的无铅陶瓷电容器是脉冲功率技术领域的迫切需求。相较于其他无铅储能陶瓷体系,Na Nb O₃(NN)陶瓷具有结构相变丰富、理论密度低、电学可调性强、轻量化发展潜力大等显著优点,因而备受关注,成为当前的研究热点。基于降低容忍因子稳定反铁电相和增强陶瓷弛豫性的策略,开展了NN基弛豫反铁电陶瓷的制备与储能特性研究。通过引入BiFeO₃和Sr(Ti_0.85Zr_0.15)O₃成功制备了0.9[0.9NaNbO₃-0.1BiFeO₃]-0.1Sr(Ti_0.85Zr_0.15)O₃陶瓷,相较于纯NN陶瓷(0.14 J/cm³、6.39%)和0.9NaNbO₃-0.1BiFeO₃陶瓷(3.55 J/cm³和70.61%),其储能特性显著提升,储能密度(W_rec     

锰掺杂Bi0.5Na0.41K0.09TiO3+xMnO2陶瓷的电学性能

采用传统陶瓷工艺、按照Bi0.5Na0.41K0.09TiO3+xMnO2的配方进行称量,其中x=0、0.005、0.01、0.03、0.05,共5个组分,制备出了无铅压电陶瓷坯体,在其烧结温度下进行烧结,制备了新型压电陶瓷Bi0.5Na0.41K0.09TiO3+xMnO2,并研究了该体系陶瓷的电学性能,测试其压电常数(d33)、机电耦合系数(Kp)、机械品质因素(Qm)、介电常数(εr)、介质损耗Tanδ及其电滞回线,并分析掺杂量对其性能的影响。     

K0.5Na0.5NbO3-xBiMg0.5Ti0.5O3电介质陶瓷的结构与储能性能

利用固相法制备了K_(0.5)Na_(0.5)NbO_3(KNN)–x BiMg_(0.5)Ti_(0.5)O_3电介质陶瓷,研究了BiMg_(0.5)Ti_(0.5)O_3对KNN基陶瓷储能性质的影响。结果表明,当x0.1时,BiMg_(0.5)Ti_(0.5)O_3可完全固溶进入晶格,并且随着掺杂量的增加,晶体结构逐步由正交相变成厭立方相,晶粒尺寸降低,致密度提高,因此陶瓷的储能密度和储能效率逐步增加,在x=0.1时,获得最佳储能性能:击穿场强约195 kV/cm,储能密度约1.25 J/cm~3,储能效率约85.3%。     

(1-x)Li0.05(K0.5Na0.5)0.95NbO3-x(Bi0.5Na0.5)TiO3无铅压电陶瓷的结构与电性能研究

采用固相反应法制备了(1-x)Li0.05(K0.5Na0.5)0.95NbO3-x(Bi0.5Na0.5)TiO3(LKNN-BNT)无铅压电陶瓷,研究了BNT的添加量x(0,0.005,0.01,0.02)对LKNN-BNT陶瓷的结构与电性能影响。X射线衍射(XRD)分析结果表明当x≤0.005时,陶瓷为正交钙钛矿结构,而当x≥0.01时,陶瓷则转变为四方钙钛矿结构,说明该陶瓷的多型相转变(PPT)区域为0.005相似文献   

(1–x)(0.75K0.5Bi0.5TiO3–0.25BiFeO3)–xNa0.73Bi0.09NbO3电介质陶瓷的微观结构与储能性能

为满足不断增长的高性能储能设备需求,亟需研发能量存储性能出众的电介质电容器。采用传统固相反应法制备了(1–x)(0.75Bi_0.5K_0.5TiO₃–0.25BiFeO₃)–xNa_0.73Bi_0.09NbO₃(x=0～0.4)(简称BKT–BF–xNBN)样品。在380kV/cm电场下,样品表现出良好的储能性能,可实现可回收能量密度W_rec=4.23J/cm³和效率η=81.2%。NBN的引入对BKT基陶瓷的微观结构与弛豫性产生了显著影响,导致晶粒尺寸减小、陶瓷更加致密,并诱导促使极性纳米区域的形成。此外,样品还具有出色的充放电性能(放电时间t_0.9<75ns,放电电流密度C_D=757.9A/cm²,放电功率P_D=94.7MW/cm³)。这些结果表明BKT–BF–xNBN无铅铁电...     

Bi2O3对K2O–B2O3–SrO–Al2O3–Nb2O5–SiO2玻璃陶瓷介电储能性能的影响

随着电力电子系统的不断发展,高功率脉冲电容器的需求增多。电介质电容器因具有放电功率大、充放电速度快及性能稳定等优点,在电力系统、电子器件、脉冲电源等方面发挥着重要作用,广泛应用于民用领域及军事领域。通过熔融压延制备玻璃基体,采用可控结晶工艺研究了不同含量的Bi₂O₃ (x=0.0%、1.0%、2.0%、4.0%,摩尔分数)对K₂O–B₂O₃–Sr O–Al₂O₃–Nb₂O₅–SiO₂玻璃陶瓷物相演化、微观结构、介电和储能性能的影响。在该玻璃陶瓷中,KSr₂Nb₅O₁₅为主要析出晶相,当Bi₂O₃的加入量为x=2.0%(摩尔分数)时,热处理温度为950℃时,玻璃陶瓷样品的储能密度最大可达到1.27 J/cm³,室温下介电常数可达342,是热处...     

铁钕掺杂K0.5Na0.5NbO3陶瓷的压电介电性能

采用传统陶瓷制备技术制备了新型的K0.5Na0.5NbO3+0.2%molFe2O3+x%molNd2O3压电陶瓷,研究了该体系陶瓷的压电性能及介电性能。研究结果表明,在烧结温度为1120℃、4 h时,该体系陶瓷均具有相对较好的电学性能,并在x为0.2时性能最佳,其压电常数d33为125pC/N,机电耦合系数Kp为37%,机械品质因素Qm为155,介电常数εr为561,介质损耗tanδ为0.08。     

Sb掺杂对(K0.49Na0.51)0.94Li0.06(Nb0.94Ta0.06)O3无铅压电陶瓷结构与性能的影响

采用固相反应法制备(K0.49Na0.51)0.94Li0.06Nb0.94SbxTa0.06-xO3(KNNLSxT0.06-x,x=0.00～0.06)无铅压电陶瓷,研究了Sb的掺杂量对陶瓷晶体结构与压电性能的影响。X射线衍射结果表明:随着Sb掺杂量x的增加,陶瓷的晶体结构由正交相向四方相转变,并在x=0.04～0.05时出现正交相逐渐转变为四方相的多型相转变(PPT),在x=0.04时具有较佳的性能:压电常数d33=258 pC/N,平面机电耦合系数kp=54%,机械品质因素Qm=61以及较高的居里温度Tc=405℃。     

(1-x)Bi0.5(Na0.8K0.2)0.5TiO3-xKSbO3压电陶瓷的制备及性能研究

采用传统固相法制备了新型(1-x)Bi0.5(Na0.8K0.2)0.5Ti O3-xKSbO3无铅压电陶瓷,利用XRD、SEM等测试技术表征了该陶瓷的晶体结构、表面形貌、压电和介电性能。研究结果表明,在所研究的组成范围内陶瓷材料均能形成纯的钙钛矿固溶体。在室温下,当KSb O3的掺杂量为1%时,该体系表现出较好的介电性能:εr和tanδ分别为2 231和0.055。     

Structure and electrical properties of Nd2O3-doped 0.82Bi0.5Na0.5TiO3–0.18Bi0.5K0.5TiO3 ceramics

Nd₂O₃ doped 0.82Bi_0.5Na_0.5TiO₃–0.18Bi_0.5K_0.5TiO₃ (abbreviated to BNKT) binary lead-free piezoelectric ceramics were synthesized by the conventional mixed-oxide method. The results show that the BNKT ceramics with 0–0.15 wt.% Nd₂O₃ doping possesses a single perovskite phase with rhombohedral structure. The grain size of BNKT decreased with the addition of Nd₂O₃ dopant. The temperature dependence of the dielectric constant ?_r revealed that there were two-phase transitions from ferroelectric to anti-ferroelectric and anti-ferroelectric to paraelectric. A diffuse character was proved by linear fitting of the modified Curie–Weiss law. At room temperature, the specimens containing 0.0125 wt.% Nd₂O₃ with homogeneous microstructure presented excellent electrical properties: the piezoelectric constant d₃₃ = 134 pC/N, the electromechanical coupling factor K_p = 0.27, and the dielectric constant ?_r = 925 (1 kHz).     

(1-x)Na0.5 Bi0.5 TiO3-xNaNbO3系无铅压电陶瓷的机电性能

采用传统陶瓷的制备方法,制备了(1-x)Na0.5Bi0.5TiO3-xNaNbO3(r=0～0．08)压电陶瓷。X射线衍射分析表明：所研究的组成均能够形成纯钙钛矿(ABOx)型固溶体。不同频率下陶瓷材料的介电常数-温度曲线显示该体系材料具有典型的弛豫铁电体特征,且随着x的增加,其弛豫性特征愈明显。室温下陶瓷材料的饱和电滞回线表明：所研究组成均为铁电体．材料的剩余极化强度P1在x=0．02时具有最大值。检测了不同组成陶瓷的雎电性能,发现材料的压电常数d33和平面机电耦合系数Kp随着x值的增加先增加后降低,在x=0．02时．陶瓷的d33=88pC／N,Kp=0．1792,为所研究组成中的最大值．材料的介电常数εI3/ε0和介电损耗tanδ则随x值的增加而增加。     

0.995Bi0.5(Na0.8K0.2)0.5TiO3-0.005(LiyK1-y)SbO3压电陶瓷的制备及性能研究

采用传统固相法制备了新型0.995Bi0.5(Na0.8K0.2)0.5TiO3-0.005(Li y K1-y)SbO3无铅压电陶瓷,利用XRD、SEM等测试技术表征了该陶瓷的晶体结构、表面形貌、压电和介电性能。研究结果表明,在所研究的组成范围内陶瓷材料均能形成纯的钙钛矿固溶体。压电性能随y的增加先增加后减少,在y=10%时压电常数及机电耦合系数达到最大值(d33=111 pC/N,k p=0.220)。     

Sm/Sb共掺(Bi0.5Na0.5)0.935Ba0.065TiO3陶瓷的电致应变与光致发光特性(英文)

介绍了一种无铅发光应变材料(Bi_0.5Na_0.5)_0.935–xSm_xBa_0.065Ti_1–xSb_xO₃(BNT–0.065BT–x Sm Sb)陶瓷。研究了Sm/Sb对BNT–0.065BT相结构、形貌和电性能的影响。BNT–0.065BT–x Sm Sb陶瓷均呈现纯钙钛矿相结构。Sm/Sb的加入诱导铁电弛豫相变,从而促进了应变的改善。当x=0.004时,单极应变为0.31%(70 k V/cm),相当于大信号d33^*(S_max/E_max)为443 pm/V。此外,发光性能研究表明,BNT–0.065BT–x Sm Sb陶瓷在407 nm激发下呈现明亮的橙红色发光。发光强度随着Sm/Sb掺杂浓度的增加而增大,其主要发射峰为599 nm附近的强红色发射峰,对应于⁴G_5/2→⁶H     

Na0.5Bi4.5–x(Sm0.5Ce0.5)xTi4O(15)铋层状压电陶瓷的结构与光电性能

采用固相合成法制备了Na_0.5Bi_4.5–x(Sm_0.5Ce_0.5)_xTi₄O(15)(NBT–x(Sm, Ce))铋层状无铅压电陶瓷,并研究了(Sm,Ce)³⁺掺杂对陶瓷材料结构与光电性能的影响。当(Sm, Ce)掺杂到NBT中,陶瓷的相结构和形貌均没有明显变化,而且促进了体系电学性能。当x=0.008时,其剩余极化强度达到2Pr=13.33μC/cm²,同时Curie温度高达640℃。(Sm, Ce)掺杂改性后,使NBT陶瓷具有了光致发光特性,室温下表现为明亮的橙色光。在407 nm光的激发下,样品在597 nm波长下出现较强的发射带,对应⁴G_5/2→⁶H_7/2能级跃迁。作为一种多功能材料,(Sm,Ce)掺杂的NBT压电陶瓷在光电器件和传感器等方面有着广阔的应用前景。     

Co2O3掺杂对(Na0.8K0.2)0.5Bi0.5TiO3陶瓷结构与电性能的影响

采用传统固相法制备了(Na0.8K0.2)0.5Bi0.5TiO3+xmol%Co3+(BNKT-xCo,x=0-8)无铅压电陶瓷,研究了Co2O3掺杂对BNKT陶瓷的显微结构与电学性能的影响。研究表明:适量的Co2O3掺杂促进了晶粒生长,纯BNKT陶瓷样品在介电温谱上有2个介电反常峰Td和Tm,Co2O3掺杂后使所有陶瓷样品的第一个介电反常峰Td消失,表明Co3+抑制铁电-反铁电相变。室温下样品的介电、铁电和压电性能表明Co2O3起硬性掺杂效应。当x=7时陶瓷样品电性能最佳,其中机械品质因子Qm=498,介电损耗tanδ=2.3%(1kHz),压电常数d33=103pC/N,平面机电耦合系数kp=27%。     

多型相变对K0.5Na0.5NbO3基压电陶瓷的结构与性能的影响

KNN基无铅压电陶瓷的研究是目前铁电压电材料领域的研究热点之一。这里结合近期国内外有关KNN基陶瓷的研究现状,重点介绍了多型相变的机理及通过离子掺杂取代产生的多型相变对KNN基陶瓷的相结构和性能的影响。     

K0.5Na0.5NbO3-BaCu0.5W0.5O3无铅压电陶瓷的结构与性能

以传统固相法工艺制备(1-x)K0.5Na0.5NbO3-xBaCu0.5W0.5O3[(1-x)KNN-xBCW]无铅压电陶瓷,研究不同BCW掺量(x=0％,0.1％,0.25％,0.5％,1.0％,摩尔分数,下同)对KNN陶瓷的晶体结构和电性能的影响,结果表明:x＜0.5％时,KNN陶瓷的相结构没有改变,仍为正交相...