Ca9Al(PO4)7改善TiO2基陶瓷介质材料击穿强度的研究

作     者：李政东 

作者单位：华南理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张志杰;黎鹏平

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：脉冲形成线 TiO2 Ca9Al(PO4)7 击穿强度 复阻抗谱 

摘      要：脉冲功率技术在军事、医学、环保等领域有着重要的应用价值。脉冲形成线是脉冲功率系统中的核心部件,不仅要承受高电压并将上一级所释放的高功率能量暂时储存,同时还要起到压缩脉宽的作用。在传统高功率脉冲系统中,液体介质常作为脉冲形成线的储能介质,但其环境适应能力、储能密度难以进一步提升,与脉冲功率器件的小型化的发展需求相矛盾。陶瓷介质具有优越的介电性能和良好的环境适应性,是极佳的替代材料。但是,目前其击穿强度无法满足脉冲功率系统发展需求,因此如何大幅度提高陶瓷介质的击穿强度成为研究重点。本文选择TiO-SiO-AlO基介电陶瓷为研究对象,通过原位合成和预合成两种方法引入CaAl(PO)为第二晶相,研究其对陶瓷显微结构、击穿强度和介电性能的影响,具体内容如下:(1)原位合成CaAl(PO)为第二晶相,采用固相法制备TiO-SiO-AlO-x(x=0～1.65)Ca(PO)陶瓷,通过改变原料组成调控第二晶相CaAl(PO)的含量。XRD结果表明,当x=0.66～1.65时,陶瓷晶相组成中出现CaAl(PO),且随着x的增大逐渐增多。SEM图像显示CaAl(PO)晶相出现在TiO晶粒之间。击穿强度随着x增大先增大后减小,当x=1.32时,TiO基陶瓷的击穿强度最大,为90.8 k V/mm,是x=0时击穿强度的1.83倍,并且具有良好的介电性能。高温阻抗谱显示,第二晶相CaAl(PO)提高了晶粒和晶界的电导激活能,这意味着提高了能量势垒,使晶粒和晶界对电荷的捕获能力增强,从而提高了击穿强度。(2)预合成CaAl(PO)玻璃粉,将其引入TiO中,制备了TiO基陶瓷。通过改变CaAl(PO)玻璃含量,对TiO基陶瓷的晶相组成、显微形貌和击穿强度进行改善。随着CaAl(PO)玻璃掺量的增加,陶瓷中第二晶相CaAl(PO)含量随之增加,晶粒尺寸逐渐减小并变得均匀。击穿强度从48.9 k V/mm增加到91.4 k V/mm,并且具有良好的介电性能。高温阻抗谱显示,第二晶相CaAl(PO)不仅提高了能量势垒,同时其含量的增加和晶粒尺寸的减小,导致了晶界密度的增加,从而增加了捕获自由电荷位点的数量。在两者的共同作用下,提高了陶瓷的击穿强度。