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钛酸鹽系无铅储能陶瓷的制备
 

    钛酸鹽系无铅储能陶瓷的制备,近年来,储能元件不断向无铅化、小型化、大储能密度以及高储能效率的方向发展。陶瓷电介质材料因其介电常数高、热稳定性好、力学性能突出等优点,在先进脉冲电力电子技术中受到了越来越多的关注。

     目前应用中的陶瓷电介质材料大多含有铅元素,而铅元素对环境和人体有害,然而无铅的陶瓷介电材料因其相对较低的储能密度和储能效率,限制了其更广泛的应用。因此,本文研究目的就是围绕Bi_(0.5)Na_(0.5)TiO_3基和BaTiO_3基陶瓷的储能特性,对其进行了一系列改性,在提高陶瓷材料击穿场强和降低能量损耗的前提下,进而得到储能密度和储能效率优异的储能陶瓷材料,最后对本研究所制备出的储能陶瓷材料的相关性能进行系统的分析和研究。

    通过传统固相法和流延成型法制备(1-x)(0.95Bi_(0.5)Na_(0.5)TiO_3-0.05Ba(Al_(0.5)Nb_(0.5))O_3)-xMgO-Al_2O_3-SiO_2(简记为(1-x)(0.95BNT-0.05BAN)-xMAS)储能陶瓷。研究结果表明,(1-x)(0.95BNT-0.05BAN)-xMAS储能陶瓷具有钙钛矿型结构。

    随着MAS玻璃添加量的不断增加,其介电常数和介电损耗均表现出逐渐减小的趋势,并且其介电常数的最大值对应的温度(T_m)逐渐向高温方向移动。当x=0.04时,能得到最佳的能量存储特性,此时,充电储能密度W=3.90 J/cm~3,放电储能密度W_(rec)=1.22 J/cm~3。

    通过传统固相法和流延成型法制备出(SrTiO_3+0.5 wt%Li_2CO_3)/[(1-x)Bi_(0.5)Na_(0.5)TiO_3-xBa(Al_(0.5)Nb_(0.5))O_3](简记为STL/[(1-x)BNT-xBAN])层状储能陶瓷。研究结果表明,STL/[(1-x)BNT-xBAN]层状储能陶瓷具有纯的钙钛矿型结构,当x值不断变大时,其介电常数和介电损耗均呈现出先增加,后减小的趋势。同时,T_m逐渐向低温方向移动。当x=0.15时,能够得到最佳的能量存储特性,其W=2.32 J/cm~3,W_(rec)=1.63 J/cm~3,能量存储损耗W_(loss)=0.69 J/cm~3,储能效率η=70%。通过传统固相法和冷等静压成型法制备(1-x)BaTiO_3-xK_(0.73)Bi_(0.09)NbO_3(简记为(1-x)BT-xKBN)储能陶瓷。研究结果表明,BT和KBN能够形成钙钛矿型固溶体。当x值不断变大时,(1-x)BT-xKBN储能陶瓷的介电常数和介电损耗均呈现出先增大,后减小的趋势,而且T_m渐渐向低温方向移动。

    在x=0.08时,能够得到最佳能量存储特性,在327 kV/cm的最大击穿场强下,其W可以达到2.89 J/cm~3,W_(rec)可以达到2.51 J/cm~3,W_(loss)低至0.38 J/cm~3,η高达87%。另外,(1-x)BT-xKBN储能陶瓷在相当宽的温度和频率范围内,具有良好的温度和频率稳定性。通过传统固相法和冷等静压成型法制备Bi_(0.5-x)La_x(Na_(0.82)K_(0.18))_(0.5)(Al_(0.5)Nb_(0.5))_(0.08)Ti_(0.9)Zr_(0.02)O_3(简记为BNKTANZ-xL)储能陶瓷。研究结果表明,BNKTANZ-xL储能陶瓷具有纯的钙钛矿型结构。当x值渐渐增大时,BNKTANZ-xL储能陶瓷的介电常数和介电损耗都逐渐减小,而且T_m渐渐向低温方向移动。当x=0.04和x=0.06时,其W_(rec)值都大于3 J/cm~3。当x=0.04时,储能陶瓷最大击穿场强能够达到214 kV/cm,此时,能够获得比较高的W(W=4.49 J/cm~3),同时具有比较高的W_(rec)(W_(rec)=3.16J/cm~3)。当x=0.06时,在200 kV/cm的击穿场强下,W可以达到3.95 J/cm~3,相应的W_(rec)可以达到3.24 J/cm~3,η可以达到82%。


    另外,BNKTANZ-xL储能陶瓷在相当宽的温度和频率范围内,具有良好的温度和频率稳定性。




 

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