BaTiO3-ZnNb2O6陶瓷介电及储能性能研究

采用固相法制备(1-x)BaTiO₃-xZnNb₂O₆ (x=0.5mol%, 1mol%, 1.5mol%, 2mol%, 3mol%, 4mol%) (简称BTZN)陶瓷, 研究了BTZN陶瓷的烧结温度、结构、介电性能和铁电性能。BTZN陶瓷烧结温度随着ZnNb₂O₆含量增加逐渐降低。XRD结果表明当ZnNb₂O₆含量达到3mol%时出现第二相Ba₂Ti₅O₁₂。介电测试结果表明随ZnNb₂O₆含量的增加, BTZN陶瓷介电常数逐渐减小, 而介电常数的频率稳定性逐渐增强。介电温谱表明所有BTZN陶瓷均符合X8R电容器标准。BTZN陶瓷的极化强度值随着ZnNb₂O₆含量的增加逐渐降低。当x=4mol%时, BTZN陶瓷获得240 kV/cm的击穿电场和1.22 J/cm ³的可释放能量密度。     

Ba(Ti0.96Sn0.04)O3陶瓷的物性研究

采用传统固相反应法制备了Ba(Ti_0.96Sn_0.04)O₃无铅压电陶瓷, 对其压电性能、介电性能、铁电性能和微观结构等进行了研究。研究发现, 原料以及制备工艺对Ba(Ti_0.96Sn_0.04)O₃陶瓷的压电性质具有较大的影响。与BaTiO₃陶瓷相比, Ba(Ti_0.96Sn_0.04)O₃陶瓷的正交-四方相变温度T_O-T得到了一定的提高, 并且T_O-T附近的热滞只有1.8℃。陶瓷的微观形貌呈现出较为复杂的畴结构, 主要以90°平行带状畴为主, 偶尔有少量不同构型的180°畴。电滞回线呈现为理想的近似矩形饱和形状的曲线, 剩余极化强度P_r为18.9 μC/cm², 矫顽场E_c为 2.5 kV/cm。此外, 非180°畴的翻转是引起陶瓷逆压电常数d₃₃^*的主要因素, 其值可达550 pm/V。     

Tm3+对AgNbO3反铁电陶瓷微结构和储能性能的影响

AgNbO₃无铅反铁电材料作为一种极具潜力的电介质储能材料,近年来受到了广泛的关注。然而,储能密度和储能效率较低,限制了它的应用。本工作研究了Tm³⁺对AgNbO₃陶瓷的微结构、介电性、铁电性和储能性能的影响。结果表明,Tm³⁺取代AgNbO₃陶瓷A位的Ag⁺,具有明显的细化晶粒的作用,增强了反铁电相的稳定性,使其储能性能显著提升。反铁电相稳定性的增强是由于Tm³⁺的引入降低了结构的容差因子和产生了Ag空位,破坏了阳离子位移和氧八面体倾斜等长程相互作用的结果。AgNbO₃-0.1%(原子分数)Tm₂O₃陶瓷在200 kV/cm下表现出优异的储能性能(可回收储能密度为3.32 J/cm³,储能效率为62.5%),在高功率脉冲电子器件中具有潜在的应用前景。     

具有优异储能性能与充放电特性的类线性NaNbO3基无铅弛豫反铁电陶瓷

反铁电材料由于电场诱导的反铁电-铁电相变而在高性能介质储能电容器应用中显示出极大的潜力。然而,场致相变带来大的极化滞后使得反铁电材料难以同时获得高储能密度(Wrec)和高储能效率(η)。本工作通过在0.76NaNbO₃-0.24(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃中引入第三组元Bi(Mg_0.5Ti_0.5)O₃调控其弛豫特性,改善了NaNbO₃基无铅反铁电陶瓷的储能性能。采用传统固相合成法制备了(0.76–x)NaNbO₃-0.24(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃-xBi(Mg_0.5Ti_0.5)O₃无铅弛豫反铁电陶瓷材料,并研究了该材料的相结构、微观形貌以及介电、储能和充放电特性。结果表明,引入Bi(Mg_0.5Ti_0.5)O...     

A位复合铁电陶瓷Bi0.5(Na0.82K0.18)0.5TiO3-BiCrO3的介电弛豫

采用固相反应法制备了A位复合铁电陶瓷(1-x)Bi_0.5(Na_0.82K_0.18)_0.5TiO₃-xBiCrO₃(BNKT-BCx). 研究了该陶瓷在室温至500℃温度范围内的介电性能. 结果表明该陶瓷的介电温谱存在两个介电反常峰和一个介电损耗峰, 低温介电反常峰温度附近具有明显的介电常数频率依赖性, 但居里峰随频率增加基本不变, 与典型弛豫铁电体的特征不同. 将弛豫铁电体分为本征弛豫和非本征弛豫铁电体, 通过分析极化前和极化后陶瓷的介电温谱, 发现该体系低温介电反常峰温度附近的介电频率依赖性为空间电荷和缺陷偶极子极化引起的非本征弛豫.     

部分化学法制备PbNb(Zr,Sn,Ti)O3反铁电陶瓷及其电致应变性能研究

设计了部分化学法制备PbNb(Zr,Sn,Ti)O3反铁电陶瓷粉体.前驱体在600℃/2h的预烧条件下形成钙钛矿晶相结构,经行星球磨后获得亚微米级粒度分布的粉体.采用流延法成型,在1100℃/4h的烧结条件下获得了相对密度>97%,晶粒大小约为4μm的样品.在组成为Pbo 99Nbo 02[(Zro.6Sno.4)1-yTiy]0.98O3的系列样品中,随Ti含量增加,样品出现从反铁电态向铁电态转变的趋势.在y=0.06的配方中,在6kV/mm场强下测得了0.33%的纵向应变.     

Nb掺杂Bi4Ti3O12陶瓷的微结构与介电性能研究

采用固相烧结工艺制备了Nb掺杂的Bi4Ti3O12(BIT)铁电陶瓷.用XRD和AFM对其微观结构进行了分析,研究了Nb掺杂对材料微观结构和介电性能的影响.结果发现,微量Nb的掺入并未改变BIT的晶体结构,但可减小陶瓷的晶粒尺寸并降低材料的居里温度.同时,Nb的掺入大大降低了BIT陶瓷的介电常数并削平了BIT陶瓷的介电损耗峰,适当掺杂Nb可明显降低BIT陶瓷的介电损耗.     

掺杂Y2O3对钛酸锶钡铁电陶瓷材料显微结构和介电性能的影响

钛酸锶钡(BSTO)铁电陶瓷材料的介电常数随外加直流电场的变化呈现非线性特性.纯BSTO材料由于较高的介电常数和较大的介电损耗不能满足移相器介质材料的要求.通过在BSTO中添加Y2O3来改善BSTO铁电陶瓷材料的介电性能.研究结果是:(1)在BSTO体系中微量掺杂Y2O3,Y3 以取代Ba2 的方式存在于钙钛矿的晶格中,形成均匀的固溶体Ba0.5-xYxSr0.5TiO3;(2)随Y3 添加量的增加,居里峰逐渐变宽,峰高逐渐降低,相变弥散效应增强;(3)Y3 的掺杂能促进BSTO陶瓷的致密化烧结,并显著降低BSTO陶瓷的介电常数.     

不同化学组分对CaCu3Ti4O12介电陶瓷性能的影响

用溶胶-凝胶（Sol-gel）技术制备了掺杂5％、10％的Ca、Cu及Ti化学组分的化合物CaCu3Ti4O12系列纳米粉体并后续烧结成多晶陶瓷。用XRD、SEM手段表征了烧结体的晶相和微观形貌。通过研究样品的介电性能，发现系列金属离子的掺杂几乎没有改善样品的介电性能。实验研究表明，经1000℃烧结、保温2h严格按照化学组分配制的CaCu3Ti4O12介电陶瓷的致密性好、晶粒均匀，具有良好的介电性能，室温下在10^2～10^5Hz宽频范围，介电常数ε达到～10^4，介电损耗低于～0.15。     

掺铌Pb(Zr,Sn,Ti)O3反铁电-铁电转换电场的研究

研究了掺铌PZST反铁电陶瓷中组份和温度对诱导反铁电－铁电相变转换电场的影响,测定了Pb0.99Nb0.02((Zr0.80Sn0.20)1-yTiy)0.98O3系中正向转换电场EF与组份y(Ti)的关系和电极化前后的反铁电／铁电相界。实验测量结果显示,某组份y(Ti)的反映电－铁电转换强度大小取决于该组份与铁电／铁电相界组份的差距。在Pb0.99Nb0.02((Zr0.80Sn0.20)1-yTiy)0.98O3系中随着试样温度升高,反向转换电场EB保持不变,正向转换电场EF和电滞△E降低。这一现象表明温度有助于降低反铁电－铁电相变的应能使得电场诱导反铁电－铁电相变容易进行,因此可以采用加热电极化方法来降低极化电场强度。     

BaTiO3纳米线的制备及其复合物介电和储能性能研究

采用两步水热法合成钛酸钡(BaTiO₃)纳米线, 并以此为填充物, 聚偏氟乙烯六氟丙烯(P(VDF-HFP))为聚合物基体制备介电复合物, 研究不同含量BaTiO₃纳米线对复合物的介电及储能性能的影响。采用X射线衍射仪、扫描电镜、透射电镜、阻抗分析仪和铁电工作站等表征BaTiO₃纳米线及其复合物的物相、微观结构、介电和储能性能。结果表明: BaTiO₃纳米线具有典型的四方相, 且在聚合物基体中具有良好的分散性与相容性。相同频率下, 复合物的介电常数随着BaTiO₃纳米线含量的增加而增加。含量为20vol%的复合物, 在1 kHz频率下其介电常数取得最 大值30.69。含量为5vol%的复合物, 在场强为240 kV/mm时, 获得了最大的储能密度与放电能量密度, 分别为4.89和2.58 J/cm³。     

钙钛矿型Pb基反铁电储能材料研究进展

反铁电材料在发生场致反铁电-铁电相变过程中伴随着巨大应变和能量的储存和释放,故在高密度储能器件和机电换能器上极具应用潜力。综述了具有钙钛矿结构的Pb基反铁电体结构特点与性能调控,特别是Pb(Zr,Ti)O3(PZT)基反铁电储能材料的研究进展与存在问题。重点讨论了几类典型元素掺杂Pb基反铁电薄膜材料研究的最新进展。简要介绍了适应无铅化要求、环境友好的无铅钙钛矿型反铁电-铁电相变材料。最后对当前钙钛矿型Pb基反铁电材料研究与应用中尚需深入探究的问题进行了总结。     

0.94[(Na0.96-xKxLi0.04)0.5Bi0.5]TiO3-0.06Ba(Zr0.055Ti0.945)O3无铅压电陶瓷的压电介电特性

对无铅压电陶瓷0.94[(Na0.96-xKxLi0.04)0.5Bi0.5]TiO3-0.06Ba(Zr0.055Ti0.945)O3的性质随K含量的变化进行了系统研究,获得压电应变常数d33高达185pC/N的0.94[(Na0.80K0.16Li0.04)0.5-Bi0.5]TiO3-0.06Ba(Zr0.055Ti0.945)O3压电陶瓷.随着K掺杂量的增加,该陶瓷材料的介电温谱峰值向右明显移动,其介电峰温度明显升高.     

Synergistic Optimization of Energy Storage Density of PYN-Based Antiferroelectric Ceramics by Composition Design and Microstructure Engineering

PbYb_0.5Nb_0.5O₃ (PYN)-based ceramics, featured by their ultra-high phase-switching field and low sintering temperature (950 °C), are of great potential in exploiting dielectric ceramics with high energy storage density and low preparation cost. However, due to insufficient breakdown strength (BDS), their complete polarization-electric field (P-E) loops are difficult to be obtained. Here, to fully reveal their potential in energy storage, synergistic optimization strategy of composition design with Ba²⁺ substitution and microstructure engineering via hot-pressing (HP) are adopted in this work. With 2 mol% Ba²⁺ doping, a recoverable energy storage density (W_rec) of 10.10 J cm⁻³ and a discharge energy density (W_dis) of 8.51 J cm⁻³ can be obtained, supporting the superior current density (C_D) of 1391.97 A cm⁻² and the outstanding power density (P_D) of 417.59 MW cm⁻². In situ characterization methods are utilized here to reveal the unique movement of the B-site ions of PYN-based ceramics under electric field, which is the key factor of the ultra-high phase-switching field. It is also confirmed that microstructure engineering can refine the grain of ceramics and improve BDS. This work strongly demonstrates the potential of PYN-based ceramics in energy storage field and plays a guiding role in the follow-up research.     

(Bi0.5Na0.5)0.935Ba0.065TiO3-xBiScO3陶瓷储能及应变性能研究

本研究采用BiScO₃组分对固相烧结工艺制备的(1-x)(Bi_0.5Na_0.5)_0.935Ba_0.065TiO₃-xBiScO₃(BNBT-xBS)无铅陶瓷进行改性, 考察了BiScO₃掺杂含量对陶瓷的微观结构、储能、场致应变和介电等性能的影响。结果表明: 随着BiScO₃掺杂含量的增加, BNBT-xBS陶瓷的相结构由三方相与四方相共存演变为伪立方相, 无杂相形成, 且平均晶粒尺寸略有增大; BiScO₃组分的引入破坏了BNBT陶瓷铁电畴的长程有序, 表现出弱极化, 且伴随有铁电相到弛豫铁电相的相变过程。BiScO₃组分提高了储能和应变性能, 在70 kV/cm电场下其最大储能密度为0.46 J/cm³, 电致应变达到0.25%。介电常数随着掺杂含量的增加逐渐降低, 其介电行为也表明陶瓷具有弛豫铁电体特征; BNBT-xBS陶瓷表现出负温度系数效应, 且在450℃以下具有较好的绝缘性。     

影响Ba(B'1/3 B'2/3)O3型微波介质陶瓷介电损耗的因素

微波介质陶瓷是制作各种微波器件的关键材料.具有复合钙钛矿结构Ba(B'1/3B"2/3)O3(B'=Mg、Zn、Ni或Co;B"=Ta和Nb)型的微波介质陶瓷材料由于在很高的微波频率下具有极低的介电损耗而受到人们的重视.在总结前人研究成果并结合自己研究结果的基础上,从材料的晶体结构、显微组织、制备工艺等方面探讨了影响这类材料介电损耗的因素.     

烧结工艺对B2O3掺杂Ba1-xSrxTiO3梯度陶瓷介电性能的影响

研究了烧结温度及升温速率对氧化硼(B₂O₃)掺杂钛酸锶钡梯度陶瓷(Ba_1-xSr_xTiO₃,x=0-0.4,步长0.02)的致密化、晶粒尺寸及介电性能的影响.结果表明,随着烧结温度的升高,在氧化硼挥发的同时致密化程度提高,从而居里峰提高且变得尖锐;随着氧化硼含量的增加,晶粒尺寸均匀长大、介电常数和介电损耗都增加;升温速率适中时,掺杂物的挥发、致密化进程及晶粒长大同步完成,梯度陶瓷介电性能才有效提高.此外,钛酸锶钡梯度陶瓷掺杂适量氧化硼明显降低烧结温度,比未掺杂相同成分的陶瓷烧结温度至少降低150℃,且介电损耗明显减小;梯度陶瓷的居里峰温度区间显著展宽,大大降低了该温区的介温系数,可望提高该系列陶瓷元器件精度及稳定性.     

CaCu3Ti4O12巨介电氧化物陶瓷的制备与性能

研究了合成CaCuaTiO12巨介电响应氧化物的固相反应。用X射线衍射跟踪反应进程。该反应以CaTiO3为中间产物。两步合成工艺可以降低完全反应所需温度,并可在不超过1000℃下合成单相CaCuaTi4O12。通过引入过量CuO,进一步提高了介电常数,降低了介电损耗。在1080℃下烧成的CuO过量4mol％的陶瓷试样,相对介电常数为29000,损耗角正切值为0．06（1kHz）。