铌酸钾钠基储能陶瓷材料的制备及其性能研究

作     者：甘新民 

作者单位：陕西科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨海波

授予年度：2022年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 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：电容器 储能性能 铌酸钾钠 击穿场强 功率密度 

摘      要：陶瓷介质电容器,作为一种广泛应用的储能电子器件,具有放电速率快、温度稳定性好和工作寿命长等优点,在先进电子和电力系统中扮演着重要的角色,特别是在脉冲功率技术领域有着不可替代的应用。当前,电子器件正向小型化、轻型化方向发展,这也对陶瓷介质电容器的储能密度提出了更高的要求。目前商用的陶瓷电介质电容器主要是含铅的反铁电陶瓷材料,但是含铅的材料在生产制备过程中都不可避免的会对人体和环境产生危害。在这样的契机下,开发一种具有环境友好和更高储能性能的电介质陶瓷材料变得日益迫切。近几年来,铌酸钾钠基陶瓷因其优异的介电、压电、铁电性能而得到研究者的广泛关注。通过固相合成法制备了（1-x）K0.5Na0.5NbO3-xCa（Mg1/3Nb2/3）O3（简写为（1-x）KNN-xCMN）储能陶瓷材料并进行系统分析。结果显示,添加CMN可以有效地降低晶粒尺寸到亚微米级。同时,孔隙率的减少明显增加了击穿场强。最终,储能性能可以得到改善。最优组分0.92KNN-0.08CMN陶瓷在305 kV/cm的电场下拥有2.73 J/cm3的可恢复储能密度（简称为Wrec）和69.4%的储能效率（简称为η）。通过固相合成法制备了（1-x）K0.5Na0.5NbO3-xBi（Ni0.5Ti0.5）O3（简写为（1-x）KNN-xBNiT）储能陶瓷材料并进行系统分析。结果显示,Bi3+和（Ni0.5Ti0.5）3+在A和B位的替代能够引起晶格畸变,破坏铁电长程有序,从而产生极性纳米区域（PNR）和低Pr。此外,Bi（Ni0.5Ti0.5）O3的掺杂也能有效地将晶粒尺寸减小到亚微米级,以此提高击穿场强。在最佳组分0.85KNN-0.15BNiT陶瓷中,在280 kV/cm的电场下可以获得最优储能性能:Wrec=2.61 J/cm3,η=82.6%。同时储能性能的温度和频率稳定性（在25-150℃和1-100 Hz的范围内,Wrec和η的变化都小于3%）可以在160 kV/cm的电场下同时获得。更重要的是,在0.85KNN-0.15BNiT陶瓷中也可以实现超快的放电速率t0.9（46.9 ns）和高的电流密度CD和功率密度PD（797.4 A/cm2、47.8 WM/cm3）。在20-120℃的温度范围内,t0.9、CD和PD的变化率均小于18.1%。通过固相合成法制备了（1-x）（0.92K0.5Na0.5NbO3-0.08Sr0.7Bi0.2TiO3）-xBi（Zn0.5Zr0.5）O3（简写为（1-x）（0.92KNN-0.08SBT）-xBZZ）储能陶瓷材料并进行系统分析。通过引入SBT能够明显地提高KNN的弛豫性,并且降低晶粒尺寸到亚微米级。其次通过添加BZZ来进一步打破铁电长程有序,降低Pr。最终,0.85（0.92KNN-0.08SBT）-0.15BZZ 陶瓷在 340 kV/cm 的电场下可以得到Wrec=3.35 J/cm3,η=81.9%。相应的储能性能显示出优异的温度稳定性（25-150 ℃）,Wrec=（0.86 J/cm3,±7%）,η=（91.7%,±2.5%）。此外,在 150 kV/cm的电场下,1-100 Hz的频率范围内,可以获得优异的Wrec（0.913-0.830 J/cm3）和η（90.9-89.5%）。Wrec和η的变化范围都小于14%。更重要的是,0.85（0.92KNN-0.08SBT）-0.15BZZ陶瓷在120 kV/cm的电场下可以实现超快的放电速率t0.9（27.2 ns）和优异的电流密度CD和功率密度PD（434.06 A/cm2、26 WM/cm3）。在20-120℃的温度范围内,t0.9、CD和PD的变化率均小于7%。通过固相合成法制备了（1-x）（0.92K0.5Na0.5NbO3-0.08Sr0.7Bi0.2TiO3）-xBi（Zn0.5Ti0.5）O3（简写为（1-x）（0.92KNN-0.08SBT）-xBZT）储能陶瓷材料并进行系统分析。结果显示,所有组分的晶粒尺寸普遍降到亚微米级,然后随着Bi（Zn0.5Ti0.5）O3含量的增加晶粒尺寸又略有增加。同时击穿场强得到有效提升。在245 kV/cm的电场下,0.85（0.92KNN-0.08SBT）-0.15BZT陶瓷具有最优储能性能:Wrec=2.65 J/cm3,η=89.8%。