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。     

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...     

NaNbO3–CaZrO3–Bi0.5Na0.5TiO3三元系陶瓷的相结构与储能性能

铌酸钠(NaNbO₃)无铅陶瓷由于其无毒和出色的储能性能,在脉冲功率电容器领域吸引了越来越多的关注。然而,由于较大的有效储能密度(W_rec)和高的储能效率(η)不能同时实现,限制了其商业化。通过构建局域随机场,增加弛豫特性来提高储能性能的策略。采用传统固相法制备了(1–x)(0.96Na Nb O₃–0.04CaZrO₃)–x Bi_0.5Na_0.5TiO₃ (x=0.05、0.10、0.15、0.20)反铁电储能陶瓷,研究了不同含量Bi_0.5Na_0.5TiO₃对0.96Na Nb O₃–0.04CaZrO₃陶瓷的相结构、微观形貌、介电性能和储能特性的影响。结果表明：随着Bi_0.5Na_0.5TiO₃含量的增加,(1–x)(0.96NaNbO₃...     

掺Mn对Ca_(0.6)La_(0.8/3)TiO_3陶瓷微波介电性能的影响EI北大核心CSCD

采用固相反应法制备Mn掺杂Ca_(0.6)La_(0.8/3)(Ti_(1-x)Mn_x)O3陶瓷,研究了掺杂离子对其相结构和微波介电性能的影响。结果表明:Mn掺杂样品为单一的正交晶系钙钛矿结构;样品体积密度以及Q×f_0值随着MnO_2含量的增加呈现出先增大后减小趋势;而介电常数εr随着MnO_2含量的增加仅有小幅度降低;MnO_2的加入有助于谐振频率温度系数tf的降低。当Mn掺杂量为0.015时,样品具有较佳的微波性能:εr=113、Q×f_0=9 877 GHz和tf=186×10^(-6)/℃。     

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。     

(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。     

稀土离子掺杂0.6BaTiO3-0.4Bi(Mg1/2Ti1/2)O3陶瓷的储能性能研究

弛豫铁电陶瓷由于优异的介电和储能性能,在陶瓷储能电容器中具有较大的应用潜力。本文采用固相烧结法制备了0.05 mol Nd³⁺、Sm³⁺和Gd³⁺稀土离子掺杂的0.6BaTiO₃-0.4Bi(Mg_1/2Ti_1/2)O₃陶瓷。结果表明,所有陶瓷均表现为典型的弛豫铁电体,其中Nd³⁺掺杂的陶瓷样品具有最小的介电损耗,获得了最大的击穿场强(350 kV/cm)和储能效率(94.38%);Gd³⁺掺杂的陶瓷样品具有最大的介电常数,获得了最高的可恢复储能密度(4.33 J/cm³)。     

稀土掺杂对铌酸钠基陶瓷介电及储能性能的影响

随着对电子器件高度集成化、小型化的需求,电介质陶瓷逐渐成为脉冲电力电子系统中关键材料之一。其中,具有大的最大极化、小的剩余极化以及低的介电损耗的反铁电储能陶瓷逐渐成为最佳的储能陶瓷材料。采用固相反应法制备了Sm³⁺掺杂的0.9NaNbO₃-0.1BiFeO₃(NN-BF)基弛豫反铁电陶瓷,化学式为(1–x)[0.9NaNbO₃-0.1BiFeO₃]-x Sm₂O₃(x=0.01,0.02,0.03,0.04),系统地探究了Sm³⁺掺杂对NN-BF基储能陶瓷物相结构、微观形貌、介电性能及储能性能的影响。结果表明：随着Sm³⁺掺杂量的增加,储能陶瓷的晶粒尺寸和剩余极化均呈现先减小后增大的趋势,而击穿场强、最大极化、储能密度及储能效率均呈现先增大后减小的趋势。此外,由于Sm元素价态不稳定,适量掺杂Sm³⁺可以稳定Fe³⁺的价态,使NN-BF的反铁电相更加...     

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)。     

Eu掺杂对Bi5Fe0.5Co0.5Ti3O15陶瓷电磁性能的影响

用传统固相烧结法制备了Bi5–xEuxFe0.5Co0.5Ti3O15(BEFCT–x:x=0,0.35,0.55,0.85)陶瓷样品,对比研究了它们的结构和电磁性能。X射线衍射分析表明:掺杂未导致明显杂相,材料的剩余极化(2Pr)随掺杂量的增加呈先增加后减小的变化趋势,在Eu掺杂量为0.55时,材料的2Pr达到最大值,为11.2μC/cm2,升幅达143%,可以由Eu掺杂导致氧空位的抑制和铋氧层的破坏所形成的竞争机制解释。随Eu含量的增加,材料的剩余磁化单调上升,最大达到0.28 A m2/kg,比未掺杂时增加了2个数量级,从晶格失配、耦合增强以及共生结构等方面的综合效果解释了这一现象。材料的介电温度谱显示,Eu掺杂未明显损害材料的热稳定性,Eu掺杂所导致的介电损耗行为可能与氧空位或其他点缺陷有关联。     

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。     

Ni掺杂对BaTiO3陶瓷物相及介电性能的影响

采用固相反应法制备了BaTi_1-xNi_xO₃（x=0、0.01、0.05、0.08、0.1、0.2）陶瓷,研究了不同Ni掺杂量对BaTi_1-xNi_xO₃陶瓷的相结构和介电性能的影响。采用X射线衍射技术（XRD）分析了BaTi_1-xNi_xO₃陶瓷的相结构;采用阻抗分析仪测试BaTi_1-xNi_xO₃陶瓷介电性能。XRD分析结果表明:随着Ni的掺杂量的增加,BaTi_1-xNi_xO₃陶瓷的晶相由四方相逐渐转变为六方相,当Ni的掺杂量为x=0.1时,BaTi_1-xNi_xO₃完全变为六方相。随着Ni含量的增大,所有六方相的BaTi_1-xNi_xO₃的晶格常数都变大,且相对介电常数ε_r整体降低而介电损耗tanδ呈现先减小后增大的趋势。     

(Bi2-yCay)(Zn1/3 Ta2/3)2O7陶瓷的介电弛豫和介电性能

研究了(Bi2-yCay)(Zn1/3Ta2/3)2O7(0≤y≤1)材料的组成、结构与介电性能.当Ca含量增加时,材料的相结构由单斜焦绿石相转变为立方焦绿石相.样品在20～85℃,1 MHz时的介电常数温度系数由72×10-6/℃逐渐增加到470×10-6/℃,然后降为-100×10-6/℃,样品在微波频率下的品质因数Q值从1 250逐渐降低至40.在-60～160℃,观测到(Bi1.2Ca0.8)(Zn1/3Ta2/3)2O7样品出现介电弛豫现象.随着Ca含量的增加,介电损耗的弛豫峰向高温移动.比较了同为立方结构相的(Bi2-yCay)(Zn1/3Ta2/3)2O7(0.7＜y＜1)和(Bi1.5Zn0.5)(Zn0.5·Ta1.5)O7介电弛豫温区移动的差异并分析了其形成原因.     

Ca_(0.6)La_(0.8/3)TiO_3-Li_(0.5)Sm_(0.5)TiO_3复合微波陶瓷的介电性能

采用传统固相合成法制备了xCa0.6La0.8/3TiO3-(1-x)(Li0.5Sm0.5)TiO3(CLT-LST)系列微波介质陶瓷材料,研究了该系列微波介质陶瓷的物相结构、表面形貌、介电性能。实验发现:随着Ca0.6La0.8/3TiO3含量的增多,CLT-LST样品XRD峰轻微左移。陶瓷组成对微波介电性能影响显著,复合体系CLT-LST的微波介电性能随着x值不同而连续变化:当x从0.2上升到0.6时,介电常数(εr)逐步增大,在x=(0.4~0.6),εr变化趋于稳定,达到较佳值;品质因数(Q·f)则先减小后增大再迅速减小;谐振频率温度系数(τf)逐渐从负值向正值方向移动。当复合体系组成为0.4Ca0.6La0.8/3TiO3-0.6(Li0.5Sm0.5)TiO3时,在1 250℃烧结4h所得到的微波介电性能较佳,εr=125;Q·f=2 680GHz;τf=7.0×106/℃。     

MgTiO3-Bi4Ti3O12微波介质陶瓷的制备及性能研究

采用传统固相法制备了Bi4Ti3O12掺杂的MgTiO3陶瓷,研究了其对MgTiO3陶瓷烧结特性及微波介电性能的影响。通过测试分析发现,Bi4Ti3O12不仅可以显著降低陶瓷的烧结温度,同时还可以大大提高其介电常数,当Bi4Ti3O12/MgTiO3摩尔比为0.02时,MgTiO3-0.02Bi4Ti3O12陶瓷的最佳烧结温度为1 150℃,介电常数为31.99。     

Ca含量对(Ba1-xCax)(Zr0.1Ti0.9)O3-BiFeO3无铅压电陶瓷微结构和电学性能的影响

笔者采用传统固相法制备了0.99(Ba_1-xCa_x)(Zr_0.1Ti_0.9)O₃-0.01BiFeO₃(BC_xZT,x=0.00,0.06,0.12,0.18)无铅压电陶瓷,系统地研究了Ca含量对陶瓷相结构、微观形貌和电学性能的影响。研究结果表明：所有样品均为ABO₃钙钛矿结构固溶体,无其他杂相存在;随着Ca含量的增加,陶瓷晶体结构从三方相向四方相转变。Ca的加入对频率色散影响不明显,具有良好的频率稳定性。通过拟合修正后的Curie-Weiss定律,研究介电弛豫特性,γ值由1.76降到1.61,说明陶瓷弛豫程度下降。Ca取代Ba后,d₃₃和k_p均呈现先增加后减小的变化趋势,当x=0.12时获得最佳电学性能：ε_r=4 448、tanδ=0.013、d₃₃=207 pC/N、k_p=0.24。从P-E曲线观察出...     

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%。     

多阳离子掺杂对(NaLn)Cu3Ti4O12(Ln=Ce;Nd)陶瓷介电性能的影响

高介电的类钙钛矿陶瓷材料的介电性能优化一直是该领域研究热点。本研究采用高温固相法制备了不同烧结温度的(NaLn)Cu₃Ti₄O₁₂ (Ln=Ce;Nd)介电陶瓷材料,探讨了介电陶瓷的物相特性、显微结构和介电性能。结果表明：(NaLn)Cu₃Ti₄O₁₂(Ln=Ce;Nd)系列陶瓷均为单相陶瓷。随着烧结温度提高,(NaLn)Cu₃Ti₄O₁₂的介电常数增加,介电损耗变化。不同掺杂离子会使陶瓷内部极化机制发生变化,进而影响陶瓷的介电性能。其中在1 000℃制备的(Na_1/3Ce_2/3)Cu₃Ti₄O₁₂陶瓷具有最高的介电性能,ε=50 552(10 Hz);而950℃制备的(Na_1/2Nd_1/2)Cu₃Ti₄     

(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...     

固相反应法制备高储能密度及高储能效率的驰豫型反铁电PLZT陶瓷

通过固相反应法制备了锆钛酸铅镧(PLZT)陶瓷并研究了其储能特性。根据室温下PLZT相图制备了反铁电相和弛豫型铁电体相相界附近的PLZT陶瓷,并选择储能密度和储能效率相对较高的组分通过流延法制备了陶瓷厚膜,并通过电滞回线计算样品的储能密度和储能效率。结果表明:所制备的样品同时表现出反铁电特性和弛豫型铁电体特性,样品室温下的储能密度能达到0.61 J/cm~3,同组分厚膜陶瓷室温下储能密度能达到1.414 J/cm~3;样品储能效率能达到94.4%;且样品的储能密度和储能效率随温度的变化表现出不同的变化趋势。