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反铁电体的能量释放效应

中国科学：物理学、力学、天文学 2020年第6期50卷 115-122页

作者：曹万强乐耀昌陈勇郑克玉潘瑞琨王龙海湖北大学材料科学与工程学院铁电压电材料与器件湖北省重点实验室有机化工新材料湖北省协同创新中心功能材料绿色制备与应用教育部重点实验室武汉430062 湖北大学物理与电子科学学院武汉430062

基于唯象理论得到的反铁电体电滞回线的温度关系,系统地研究了二阶相变反铁电体在增加和撤消电场过程中能量释放的温度关系.研究结果显示,反铁电体所释放的能量密度在温度谱有两个峰,高温的大峰在顺电相,其温度略高于居里温度;在反铁电... 详细信息

基于唯象理论得到的反铁电体电滞回线的温度关系,系统地研究了二阶相变反铁电体在增加和撤消电场过程中能量释放的温度关系.研究结果显示,反铁电体所释放的能量密度在温度谱有两个峰,高温的大峰在顺电相,其温度略高于居里温度;在反铁电相的低温区还存在一个小峰:当温度从居里温度下降时释放的能量密度会逐步增大到峰的顶点,之后缓慢下降.该结论与大量的实验结果一致.吉布斯自由能的两个参数对可逆能量密度峰的温度宽度和高度均有重要影响:极化强度二次方的系数越小能量密度峰的温度宽度越宽;四次方的系数越小能量密度峰的高度越高;它们支配了反铁电体的极化强度、能量特性和介电常数.本文研究了热力学参数对介电常数峰与能量密度峰的综合影响,并发现两者存在密切的关联效应.

关键词：反铁电体储能效应极化强度介电常数

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反铁电材料中负电卡效应的研究进展

无机材料学报 2022年第4期37卷 376-386页

作者：吴明肖娅男李华强刘泳斌高景晖钟力生娄晓杰西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室西安交通大学前沿科学技术研究院西安710049

电卡效应是指电介质材料中施加或去除电场导致的材料温度变化的现象,包括正电卡效应和负电卡效应两种类型。电卡效应作为一种高效率、无噪声、环境友好的制冷效应,在固态制冷特别是集成电路制冷领域显示出广阔的应用前景,在过去的几十... 详细信息

电卡效应是指电介质材料中施加或去除电场导致的材料温度变化的现象,包括正电卡效应和负电卡效应两种类型。电卡效应作为一种高效率、无噪声、环境友好的制冷效应,在固态制冷特别是集成电路制冷领域显示出广阔的应用前景,在过去的几十年中吸引了科研人员广泛的研究兴趣。研究表明,通过结合正负电卡效应,可以显著提高电卡效应的制冷能力。与正电卡效应不同,负电卡效应因其独特的物理起源,调控手段极为有限。本文以负电卡效应为中心,重点介绍反铁电材料中负电卡效应的最新研究进展,具体内容包括以下四个部分:首先,从电卡效应的研究历史出发,介绍了电卡效应的制冷原理,介绍了一个典型的能将正、负电卡效应结合的双制冷循环;其次,介绍了基于Maxwell关系的负电卡效应间接测试方法,以及几种负电卡效应直接测试方法,并讨论了不同方法的适用条件和优缺点;再次,以典型的负电卡效应材料——反铁电材料为例,着重介绍了负电卡效应的物理起源,综述了反铁电薄膜和反铁电块体材料中的负电卡效应,并对其它铁电材料中的负电卡效应做了简要介绍;最后,对负电卡效应的研究进行了总结和展望。

关键词：负电卡效应反铁电体 PbZrO 综述

无铅AgNbO_(3)@KH560/PMMA反铁电复合材料的储能性能研究

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陕西科技大学学报 2023年第3期41卷 123-130页

作者：王卓吴丹陕西科技大学材料科学与工程学院陕西西安710021

首先采用共沉淀法成功制备出了AgNbO_(3)粉体,并用硅烷偶联剂KH560对粉体进行表面改性,然后采用流延法制备了不同AgNbO_(3)@KH560添加量的AgNbO_(3)@KH560/PMMA复合材料,并研究其电导率、介电性能和储能性能,确定了性能最佳的AgNbO_(3)... 详细信息

首先采用共沉淀法成功制备出了AgNbO_(3)粉体,并用硅烷偶联剂KH560对粉体进行表面改性,然后采用流延法制备了不同AgNbO_(3)@KH560添加量的AgNbO_(3)@KH560/PMMA复合材料,并研究其电导率、介电性能和储能性能,确定了性能最佳的AgNbO_(3)粉体的添加量.结果表明,当AgNbO_(3)粉体的添加量为3 wt%时,在100 Hz下复合材料的介电常数约为7.01;当AgNbO_(3)粉体的添加量为0.3 wt%时,复合材料在360 kV/mm电场下,其储能密度为10.03 J/cm3,储能效率达到96.36%.

关键词：反铁电体介电储能密度

AgNbO3基反铁电陶瓷的组分调控、结构优化及其储能性能研究

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AgNbO3基反铁电陶瓷的组分调控、结构优化及其储能性能研究

作者：李博远中南大学

学位级别：硕士

多层陶瓷电容器(MLCC)具有充放电速度快、功率密度高的优势,广泛应用于混合动力汽车、输变电工程和脉冲功率武器等领域。AgNbO(AN)反铁电陶瓷由于其特殊的双电滞回线,被认为是一种极具储能潜力且环境友好的电介质材料。然而,纯AgNbO陶... 详细信息

多层陶瓷电容器(MLCC)具有充放电速度快、功率密度高的优势,广泛应用于混合动力汽车、输变电工程和脉冲功率武器等领域。AgNbO(AN)反铁电陶瓷由于其特殊的双电滞回线,被认为是一种极具储能潜力且环境友好的电介质材料。然而,纯AgNbO陶瓷的反铁电相稳定性不高,导致其储能密度和效率较低,难以制备出优异储能性能的多层陶瓷电容器。针对此问题,本论文通过在AgNbO陶瓷A/B位的La/Ta共掺杂改性进行组分调控,从多角度研究了共掺杂改性对AgNbO陶瓷的反铁电相结构的影响,探究了反铁电相稳定性与介电储能性能之间的内在联系,获得了高储能性能的AgNbO基陶瓷电介质材料。通过探究MLCC制备工艺对AgNbO基多层陶瓷电容器结构和性能的影响,总结出最佳的MLCC工艺参数,最终获得了优异储能性能的AgNbO基多层陶瓷电容器。主要结果如下:(1)通过固相烧结法制备出的AgLaNbTaO(ALNTx)陶瓷具有单一物相。La和Ta的共掺杂减小了AN陶瓷的晶粒尺寸,提高了陶瓷的致密度。相比AN陶瓷,ALNTx陶瓷与非极性Pbcm空间群结构具有更高的匹配度,基体中局部极性微区有所减少,非极性反铁电相占主导地位,室温相成分转变反铁电相稳定性更高的M相,表明了ALNTx陶瓷的反铁电性和反铁电相稳定性得到增强。因此,ALNTx陶瓷的P-E曲线得到细化,剩余极化值降低,反铁电相转变电场升高,储能性能得到显著提升。其中ALNT0.02陶瓷在540k V/cm的最大电场下获得了最高的储能密度6.73 J/cm,储能效率达到74.1%。(2)采用最佳储能性能的ALNT0.02陶瓷组分来制备AgNbO基多层陶瓷电容器,探究了MLCC工艺参数中球磨时间、刮刀高度、流延速度、内电极尺寸、内电极种类、电介质层数、层压方式和烧结温度对AgNbO基多层陶瓷电容器微观结构和储能性能的影响。最终得到AgNbO基多层陶瓷电容器的储能性能具有较好的频率稳定性,以及在35～280℃的温度范围内,容温变化率?C/C≤15%,电容值稳定保持在12 n F以上,表现出了良好的宽温特性。图50幅,表3个,参考文献94篇

关键词： AgNbO3陶瓷反铁电体储能陶瓷电容器制备工艺组织与性能

反铁电陶瓷PBLZST施/受主共掺及其储能性能优化

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反铁电陶瓷PBLZST施/受主共掺及其储能性能优化

作者：伍迪睿华中科技大学

学位级别：硕士

ABO型钙钛矿(PbBaLa)(ZrSnTi)O(PBLZST)是一种典型反铁电储能材料,具有室温双电滞回线、极化强度高等优点,在功率脉冲系统中有重要应用。单掺杂是一种常用的优化储能性能的手段,但是对基体作用有限,且容易增大漏电流。基于电荷平衡的思... 详细信息

ABO型钙钛矿(PbBaLa)(ZrSnTi)O(PBLZST)是一种典型反铁电储能材料,具有室温双电滞回线、极化强度高等优点,在功率脉冲系统中有重要应用。单掺杂是一种常用的优化储能性能的手段,但是对基体作用有限,且容易增大漏电流。基于电荷平衡的思想,本文采用施/受主共掺杂的方法,在PBLZST中分别进行了A位La-Li共掺杂提升击穿强度,B位Nb-Mn共掺杂提升弛豫性能,并在此基础上进一步进行A-B位La-Mn共掺杂构建缺陷偶极子,提升材料极化强度,优化综合性能。具体内容如下:首先,研究了A位La-Li引入对击穿强度的影响,为了维持基体电中性,采用La和Li等量掺杂的方式。La和Li的引入能弥补A位铅空位并将漏电流稳定在10 A。当La和Li的掺杂量都为1 mol%时,击穿电场从156.2 k V/cm提升至304.5 k V/cm,样品的有效储能密度达到了5.56 J/cm。结果表明,La和Li的引入能够抑制漏电流,实现击穿电场的有效提升。其次,研究了B位Nb-Mn引入对弛豫性能的影响,增强弛豫性能够提升材料的储能效率。由于Mn在烧结过程中存在变价行为,因此采用Nb和Mn非等量掺杂的方式。介电温谱显示,当Nb和Mn掺杂量分别为1 mol%和0.75 mol%时,样品表现出了明显增强的弛豫性,储能效率从87.2%提升至90.2%,有效储能密度为3.71 J/cm。结果表明,Nb和Mn的引入能够增强弛豫性,实现储能效率的有效提升。最后,研究了A-B位La-Mn引入及缺陷偶极子对材料极化强度及综合储能性能的影响。La和Mn在库伦作用力下能够耦合成缺陷偶极子,弥补掺杂对基体本征极化的损失,实现了超高极化值(62.74μC/cm),相比基体提升了近42%,同时有效地控制漏电流稳定在10 A,击穿电场提升至242.65 k V/cm,有效储能密度达到了6.52J/cm。因此,La-Mn缺陷偶极子的引入实现了极化值、击穿电场、储能密度和储能效率的综合提升。

关键词：钙钛矿结构反铁电体储能性能施/受主共掺杂缺陷偶极子

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钛酸铋钾基弛豫铁电陶瓷储能性能优化研究

钛酸铋钾基弛豫铁电陶瓷储能性能优化研究

作者：张凯杭州电子科技大学

学位级别：硕士

具有快速充放电速度和高功率密度的介质电容器已被广泛应用于混合动力电动汽车、高速列车和电力电子设备。在过去的几十年中,已经开发了许多介电材料来增强介质电容器的储能性能。早些年,用于高性能电容器应用的大多数介电材料是铅基材... 详细信息

具有快速充放电速度和高功率密度的介质电容器已被广泛应用于混合动力电动汽车、高速列车和电力电子设备。在过去的几十年中,已经开发了许多介电材料来增强介质电容器的储能性能。早些年,用于高性能电容器应用的大多数介电材料是铅基材料。在这些材料中大量使用铅元素将对自然环境造成若干不良危害。随着人们对环境和人类健康问题的日益重视,近年来无铅储能介质材料已成为研究热点。BiKTiO无铅储能陶瓷由于其A位孤对效应,表现出大的自发极化,暗示了在储能方面巨大的潜力。然而,其较低的击穿场强和较大的磁滞极大地限制了能量存储密度的增强,并导致低能量效率。此外,BiKTiO陶瓷还具有制备困难、密度低和陶瓷硬度较低等问题,这也严重阻碍了BiKTiO陶瓷的储能应用。本文采用常规固相反应法制备得到(1-x)BiKTiO-x BaSrTiO复合陶瓷。通过两种不同的方式对陶瓷的储能特性进行进一步的挖掘和改性,并对物相结构,介电、铁电性能等进行了系统分析,具体研究内容如下:(1)通过复合BaSrTiO,制备了(1-x)BiKTiO-x BaSrTiO复合陶瓷。结果表明,BaSrTiO的复合优化了BiKTiO陶瓷的烧结温度并获得了高密度、细晶粒的复合陶瓷。同时,随着BaSrTiO含量的增多,陶瓷的最大极化呈现先增大后降低的趋势。综合陶瓷的P-E曲线来看,在0.6BiKTiO-0.4BaSrTiO(BKT-BST)二元复合陶瓷中,获得了48.8μC/cm的最大极化,表现出了巨大的储能潜力。(2)在以上实验的基础上,为了进一步提高储能性能,通过复合Ca TiO、Ca Zr O、Ca Sn O线性介质构筑了三元复合陶瓷。结果表明线性介质的复合减小了BKT-BST陶瓷的剩余极化,扩大带隙能,增强了击穿场强。所有复合陶瓷都表现出了极高的可恢复储能密度。其中,在BKT-BST-0.3Ca TiO陶瓷中实现了5.78 J/cm的可恢复储能密度和87.85%的储能效率;在BKT-BST-0.125Ca Zr O中实现了5.56 J/cm的可恢复储能密度和91.24%的储能效率;在BKT-BST-0.1Ca Sn O陶瓷中实现了4.86 J/cm的可恢复储能密度和90.86%的储能效率。实验结果进一步证明了复合线性介质的可行性。(3)通过引入NaNbO、Ag Nb O反铁电体,进一步改善BKT-BST陶瓷的储能性能。实验结果表明反铁电体的引入成功在复合陶瓷中获得了亚微米级的超小晶粒,同时,BKT基陶瓷的弛豫性得到增强,获得了更为细长的P-E曲线。最后,在BKT-BST-0.2NaNbO中实现了4.53 J/cm的可恢复储能密度和67%的储能效率;在BKT-BST-0.15Ag Nb O陶瓷中实现了4.17 J/cm的可恢复储能密度和89.61%的储能效率。

关键词：介质电容器 BKT基陶瓷线性介质反铁电体储能性能

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铌酸银基无铅陶瓷的储能研究

铌酸银基无铅陶瓷的储能研究

作者：陈飞龙南昌大学

学位级别：硕士

铌酸银(AgNbO)基反铁电陶瓷因其独特的反铁电性和高居里温度而具有较高的能量密度和良好的温度稳定性的特点,使其在电介质储能领域具有极大的应用潜质。但就有效储能密度和储能效率而言,纯AgNbO陶瓷远达不到器件化应用的要求,探索提高... 详细信息

铌酸银(AgNbO)基反铁电陶瓷因其独特的反铁电性和高居里温度而具有较高的能量密度和良好的温度稳定性的特点,使其在电介质储能领域具有极大的应用潜质。但就有效储能密度和储能效率而言,纯AgNbO陶瓷远达不到器件化应用的要求,探索提高该类陶瓷储能特性的制备方法和理论具有重要的科学意义。本文通过对铌酸银基陶瓷材料进行稀土掺杂改性,系统研究稀土掺杂对AgNbO陶瓷显微结构、相结构、铁电性/反铁电性、介电性以及储能特性等方面的调控规律。本文的创新点和主要结论如下:1.通过Sb掺杂破坏原有结构的长程有序性导致局部结构的不均匀性,引入弛豫特征,结合反铁电和弛豫铁电体的优点;使改性后Ag(NbSb)O基陶瓷同时具有反铁电的高极化强度和弛豫铁电的高储能效率的特性。Ag(NbSb)O样品的弥散因子为1.97,非常接近理想弛豫铁电体。T从x=0时的75 C到x=0.04时的-65 C显著地向低温移动,提高反铁相的室温稳定性。Sb的引入使AgNbO基陶瓷的室温介电常数得到提升。以上原因使Ag(NbSb)O(W=1.74 J/cm,η=40.97%)比纯AgNbO(W=1.26J/cm,η=28.4%)具有更优秀的储能性能。2.通过Eu和Ta的共掺杂,从多方面共同调控AgNbO陶瓷的储能性能。更小离子半径的Eu的掺入能有效减小晶胞体积,缩短阳离子位移,减小容差因子t,提高反铁电稳定性。Ta掺入能有效降低B位阳离子的平均极化率,提高E和E电场值。Eu和Ta的掺入导致T和T降低,T降至室温以下,并且能明显提高室温介电常数;掺杂导致的Eu和V’缺陷使P-E曲线更细。以上特点有效提高了AgEuNbTaO样品的W和η(W=4.2 J/cm,η=70.1%)。AgEuNbTaO不仅具有高的能量密度而且具有良好的温度稳定性,在20-120℃温度范围内W和η变化幅度在3.2%以内。而A gEuNbTaO的储能的温度稳定性还有待提高。本论文的核心结论表明通过B位掺杂Sb导致局部结构异质引入弛豫特征;A和B位共同掺杂降低容差因子(t),提高反铁电稳定性,以及降低平均极化率共同作用有效提升反铁电陶瓷储能性能。本论文的方法可为后续设计高性能储能材料提供理论参考和数据支撑。

关键词：铌酸银掺杂改性反铁电体储能陶瓷

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铌酸钠基无铅陶瓷的相界调控与储能特性研究

铌酸钠基无铅陶瓷的相界调控与储能特性研究

作者：毛帅飞广西大学

学位级别：硕士

陶瓷介电电容器作为集成电路的核心元件之一,具有充放电快,功率密度高的特点,越来越受到人们的重视。反铁电材料因其优异的储能特性被广泛应用到电容器领域。目前,以锆酸铅(Pb Zr O)为基体的铅基反铁电储能材料被广泛研究。但随着人们... 详细信息

陶瓷介电电容器作为集成电路的核心元件之一,具有充放电快,功率密度高的特点,越来越受到人们的重视。反铁电材料因其优异的储能特性被广泛应用到电容器领域。目前,以锆酸铅(Pb Zr O)为基体的铅基反铁电储能材料被广泛研究。但随着人们绿色环保意识的增强,铅基材料对人体以及环境的潜在威胁日益凸显。因此,开发新型无铅反铁电储能材料是当今乃至以后的研究热点。铌酸钠(NaNbO)具有密度小和成本低的优点,同时兼具复杂的结构相变,被认为是一种极具潜力的无铅反铁电材料。但纯的NaNbO在外加电场作用下通常会将不稳定的反铁电P相诱导为不可逆的铁电Q相,不利于储能密度的提高。基于以上问题,本论文通过一系列改性策略对NaNbO的结构及相变进行设计和研究,旨在优化NaNbO的储能特性。通过在B位引入具有较小离子极化率的Ta,成功制备Na(NbTa)O陶瓷。XRD及精修结果表明,当x在0.45～0.55之间时,可实现NaNbO反铁电相和NaTaO顺电相共存。通过铁电分析结果可知,顺电相NaTaO能够有效抑制不可逆铁电Q相的产生,并在x=0.5时,可获得较小的剩余极化强度和较大的饱和极化强度。在电场为300 k V/cm时,Na(NbTa)O陶瓷的储能密度达到2.2 J/cm,储能效率为79%。变温及变频条件下,其储能密度在1.0～1.2 J/cm之间,且储能效率达到84.4%以上,实现了对NaNbO陶瓷储能特性的优化。为了进一步提高NaNbO的储能特性,利用A/B位离子共同掺杂策略,制备了(1-x)NaNbO-x CaTiO陶瓷体系。由XRD、TEM、激光拉曼光谱以及介电性能等综合分析表明,CaTiO的引入产生了结构的突变,当x在0.12～0.18之间时,可获得多相共存的相界,可大幅提高极化强度。SEM以及阻抗性能分析证实CaTiO的引入有利于击穿场强的提高。在电场为300k V/cm时,0.82NaNbO-0.18CaTiO陶瓷的储能密度提升至2.5 J/cm,储能效率为80%。该陶瓷体系在250 k V/cm时,其变温变频下的储能密度在1.8～2.0 J/cm之间变化,储能效率保持在77%以上,表现出良好的温度和频率稳定性。为了进一步提高击穿场强,通过引入MnO对0.82NaNbO-0.12CaTiO组分进行界面调控。SEM和阻抗分析表明,MnO的引入有助于实现陶瓷的致密化,有效降低氧空位缺陷浓度,使击穿强度从300 k V/cm提高到370k V/cm。此外,当MnO掺杂量达到1.5 mol%时,其储能密度为4.1 J/cm,储能效率高达93%。在变温变频条件下,该陶瓷体系储能密度保持在2.6～3.1J/cm之间,储能效率在88%以上。研究结果表明,MnO改性的0.82NaNbO-0.12CaTiO陶瓷在电介质储能领域具有良好的应用前景。综上,本论文提出多相共存策略并结合微观界面优化等方法,在NaNbO基陶瓷中实现了储能密度的大幅度提高,为新型高性能储能陶瓷的开发提供了新思路。

关键词：铌酸钠储能陶瓷相界反铁电体

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锆酸铅基反铁电薄膜制备及储能行为研究

山西冶金 2023年第8期46卷 26-29页

作者：王敏中氢能源科技发展(内蒙古)有限公司内蒙古包头014040

采用溶胶-凝胶法在LaNiO_(3)/Si基底上成功制备了Pb_((0.97))La_((0.02))Zr_((0.97))Ti_((0.03))O_(3)反铁电薄膜,研究了薄膜厚度、底电极LaNiO3的结晶温度对PLZT(2/97/3)反铁电薄膜结构及性能的影响,着重考察了这类材料在反铁电-铁电... 详细信息

采用溶胶-凝胶法在LaNiO_(3)/Si基底上成功制备了Pb_((0.97))La_((0.02))Zr_((0.97))Ti_((0.03))O_(3)反铁电薄膜,研究了薄膜厚度、底电极LaNiO3的结晶温度对PLZT(2/97/3)反铁电薄膜结构及性能的影响,着重考察了这类材料在反铁电-铁电相变过程中能量存储行为。利用XRD分析反铁电薄膜的结构、综合介电性能测试系统来分析反铁电薄膜电性能及铁电综合测试系统测试电滞回线及储能。结果表明:反铁电薄膜都为钙钛矿结构,在250~750 nm的薄膜中薄膜厚度越薄越利于反铁电薄膜的储能;底电极LaNiO_(3)的结晶温度越高(700~900℃),PLZT反铁电薄膜越利于能量的存储。

关键词：反铁电体 PLZT(2/97/3) 高能存储