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铌酸钠基储能陶瓷材料的制备及其性能研究

铌酸钠基储能陶瓷材料的制备及其性能研究

作者：刘辰蛟陕西科技大学

学位级别：硕士

近年来传统化石能源材料的不断消耗使得能源危机日趋严重。加快研究发展对环境友好、成本低廉的可再生能源刻不容缓。相较于电池与电化学电容器,陶瓷介质电容器具备放电速率快、介电常数高等优点。然而目前实际应用中最为广泛的储能陶... 详细信息

近年来传统化石能源材料的不断消耗使得能源危机日趋严重。加快研究发展对环境友好、成本低廉的可再生能源刻不容缓。相较于电池与电化学电容器,陶瓷介质电容器具备放电速率快、介电常数高等优点。然而目前实际应用中最为广泛的储能陶瓷是有毒的含铅类陶瓷,通过研究更为环保安全的无铅陶瓷来取代对环境有危害的铅基陶瓷是迫在眉睫的。在目前的无铅陶瓷体系内,铌酸钠无铅反铁电陶瓷具有较宽的带隙、宽的烧结温度、较高的极化强度和低廉的成本,使其在储能应用方面具有很大的潜力,本论文致力于铌酸钠基陶瓷的改性,并对其介电、铁电以及充放电等性能进行研究与分析。采用传统固相法制备了(1-x)NaNbO3-x(Sr0.85Bi0.1)(Mg1/3Nb2/3)O3(x=0,0.05,0.10,0.15,0.20)无铅陶瓷(简记为(1-x)NN-xSBMN),SBMN 的掺杂明显降低了体系的晶粒尺寸,提高了样品的击穿场强。当外加电场达到420 kV/cm时,0.90NN-0.10SBMN储能陶瓷能够收获优秀的有效储能密度(Wrec)2.43 J/cm3和较高的储能效率(η)68.3%,同时该陶瓷具备优秀的温度、频率稳定性。此外,0.90NN-0.10SBMN陶瓷在充放电测试中展示出超快的放电速率t0.9=52.0 ns和优秀的功率密度36.23 MW/cm3。通过传统固相法制备了(1-x)NaNbO3-x(Bi0.5La0.5)(Mg2/3Ta1/3)O3(x=0,0.06,0.08,0.10,0.12)无铅储能陶瓷(简记为(1-x)NN-xBLMT),通过在NN陶瓷的A位和B位中分别引入(Bi0.5La0.5)3+和(Mg2/3Ta1/3)3+导致陶瓷内晶格产生畸变,使得内部铁电的长程有序遭到破坏,从而抑制体系剩余极化强度(Pr),减小晶粒尺寸,以获得优秀的Wrec和η。在440 kV/cm击穿电场下 0.90NN-0.10BLMT 陶瓷样品展现出Wrec(3.69 J/cm3)和η(78.0%)的优异储能性能。在充放电测试中,0.90NN-0.10BLMT陶瓷样品在室温下获得超快的放电速率t0.9=23.6 ns。使用传统固相法制备了(Na1-3/2xBi3/2x)(Nb1 xNix)O3(x=0,0.05,0.10,0.15,0.20)储能陶瓷(简记为NBNNx),Bi3+和Ni2+的加入可以有效降低NN陶瓷的烧结温度,有效防止高温下Na+的挥发,Bi3+的6p轨道与O2-的2p轨道的杂化有利于促进最大极化强度(Pmax)的提升,同时在平均电负性较低的B位掺杂非同价的Ni2+,会形成随机局域场,从而增强离子键,破坏内部的长程有序,使得Pr降低。其中最佳组分NBNN0.10陶瓷在360 kV/cm的外加电场下,收获了极佳的Wrec(3.42 J/cm3)的同时取得不俗的η(78.2%)。除此以外,介电温谱图证明了体系有较明显的弛豫特性,在200 kV/cm电场下NBNN0.10陶瓷样品在不同的温度和频率下Wrec变化率均小于4%,表现出优秀的温度稳定性与频率稳定性。通过传统固相法在NN陶瓷掺杂Bi3+和Ni2+的基础上引入Sm3+和Zr4+,制备了(1-x)NaNbO3-x(Bi0.7Sm0.3)(Ni0.5Zr0.5)O3(x=0,0.04,0.07,0.10,0.13)无铅储能陶瓷(简记为(1-x)NN-xBSNZ),Sm3+和Zr4+的加入助于减小体系晶粒尺寸,增强体系弛豫性,从而提高材料的储能性能。铁电测试表明0.90NN-0.10BSNZ陶瓷样品能在440 kV/cm的高击穿电场下可以得到超高的Wrec(4.16 J/cm3),同时取得极佳的η(88.4%)。此外,在对0.90NN-0.10BSNZ陶瓷样品进行充放电测试中,室温条件下获得极快的放电速率t0.9=24.6 ns,并且能在高温环境下保持稳定,同时功率密度达19.58 MW/cm3。

关键词：铌酸钠无铅陶瓷击穿电场储能放电速率

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铌酸钠氧离子导体的缺陷调控及电导性能研究

铌酸钠氧离子导体的缺陷调控及电导性能研究

作者：徐帅昌南昌航空大学

学位级别：硕士

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,简称SOFC)是一种在中高温下将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的全固态化学发电装置,具有燃料适用性广、能量转化效率高、环境友好等特点,拥有广阔的发展前景。然而目前大部分SOFC工作温... 详细信息

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,简称SOFC)是一种在中高温下将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的全固态化学发电装置,具有燃料适用性广、能量转化效率高、环境友好等特点,拥有广阔的发展前景。然而目前大部分SOFC工作温度高达1000℃,这严重制约了其进一步发展与应用。因此,降低SOFC工作温度很有必要,关键在于发展新型快离子导体材料,在中低温下具有较高的离子电导率、极少量的电子电导以及优良的热稳定性。钙钛矿结构材料A位和B位阳离子可被不同价态和半径的各类离子在较宽浓度范围内单独或者复合取代,从而一定程度的提高氧离子电导率。本文以NaNbO基陶瓷为研究对象,系统研究了A位非化学计量比、B位离子取代以及两者共同作用对NaNbO基陶瓷结构及离子电导性能的影响。首先,采用固相法合成了0.96NaNbO-0.04CaZrO陶瓷材料,通过控制A位Na含量,实现了对该材料离子电导性能的调控。随着Na偏离化学计量,其离子电导率均呈现出升高的趋势。为确定其离子电导类型,使用放电等离子烧结(SPS)方式制备了8YSZ/0.96NaNbO-0.04CaZrO/8YSZ多层复合陶瓷,利用8YSZ层O传导Na阻碍的特性,判断0.96NaNbO-0.04CaZrO陶瓷材料中的主要载流子。测试发现Na缺量及化学计量比样品离子电导率未发生较大变化,而Na过量样品离子电导率减小了一个数量级。表明Na缺量样品中的主要载流子为O,而Na过量中的主要载流子为Na。进一步,通过Mg取代NaNbO材料中的Nb调控NaNbO材料中的氧空位浓度,并系统研究了化学组成、相结构、空位浓度和离子电导性能之间的关系。随着Mg掺杂量的不断增加,材料离子电导率先增加后降低,其中5 mol%Mg掺杂样品表现出最佳的氧离子电导性能。相较于纯NaNbO材料,其氧空位浓度是纯NaNbO材料的三倍,在700℃空气氛围下氧离子电导率高达2.04×10 S·cm,相较于纯NaNbO材料增大了一个数量级,有望成为新型氧离子导体材料。最后,通过改变离子导体的A位Na的化学计量和烧结温度,研究制备工艺对NaNbMgO电导性能的影响。发现随着Na缺量的增加,其离子电导率先少量增大,当Na缺量达到5 mol%时,其离子电导率急剧减小。而烧结温度对NaNbMgO离子导体影响较小,但其总体仍呈现出先增大后减小的趋势,在烧结温度为1200℃时具有最高的离子电导率。

关键词：钙钛矿铌酸钠氧离子导体氧空位交流阻抗谱

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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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铌酸钠无铅陶瓷的制备和性能研究

功能材料 2011年第7期42卷 1285-1287,1292页

作者：罗泳文杨同青姚熹同济大学功能材料研究所上海200092

采用传统陶瓷制备方法制备了致密的NaNbO3无铅铁电陶瓷。利用XRD、SEM、介电温谱等分析技术,研究了CuO和MnO2掺杂对NaNbO3无铅铁电陶瓷的合成温度、烧成工艺、结构相变以及铁电性能的影响。结果表明通过CuO和MnO2掺杂能在较低温度下制... 详细信息

采用传统陶瓷制备方法制备了致密的NaNbO3无铅铁电陶瓷。利用XRD、SEM、介电温谱等分析技术,研究了CuO和MnO2掺杂对NaNbO3无铅铁电陶瓷的合成温度、烧成工艺、结构相变以及铁电性能的影响。结果表明通过CuO和MnO2掺杂能在较低温度下制备出致密的NaNbO3陶瓷和陶瓷的致密度,电学性能随着烧成温度的变化存在一个最优值,最佳烧结温度为1050℃,体积密度达到4.38g/cm3为理论密度的98.6%。该陶瓷在15～120℃均表现出铁电性能,具有压电活性,常温下介电常数为287,居里温度为390℃。

关键词：铌酸钠无铅陶瓷掺杂铁电性能介电性能

铌酸钠陶瓷的结构、电学性能及二元复合改性研究

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铌酸钠陶瓷的结构、电学性能及二元复合改性研究

作者：李威中国科学院大学(中国科学院上海硅酸盐研究所)

学位级别：硕士

铁电和反铁电材料在压电驱动器、应变驱动器和储能电容器等领域有着重要的应用。早期,以Pb(Zr,Ti)O、Pb(MgNb)O等铅基体系为主的铁电和反铁电材料由于性能优异而引起了广泛的关注。上世纪90年代,人们意识到铅元素具有毒性,于是,包括铌酸... 详细信息

铁电和反铁电材料在压电驱动器、应变驱动器和储能电容器等领域有着重要的应用。早期,以Pb(Zr,Ti)O、Pb(MgNb)O等铅基体系为主的铁电和反铁电材料由于性能优异而引起了广泛的关注。上世纪90年代,人们意识到铅元素具有毒性,于是,包括铌酸钠(NaNbO)在内的无铅材料成为新的研究重点。为了进一步推动无铅材料的发展,本文将围绕NaNbO陶瓷进行相关的研究与探索。文献调研发现,此前多个研究报导的NaNbO陶瓷的结构和性能存在较大的差异,鉴于功能材料在结构和性能上的可重复性十分重要,因而需要深入研究产生这些差异的原因。此外,由于NaNbO陶瓷反铁电P相的结构不稳定,因而利用其反铁电特性的发展受到限制。基于以上背景,本文将从NaNbO陶瓷实验原料和钙钛矿结构容忍因子的角度出发,研究NaNbO陶瓷的结构、电学性能及其二元复合改性等多方面的变化和规律。(一)采用两种晶体结构(正交单斜混合相和纯正交相)的氧化铌(NbO)原料制备NaNbO陶瓷,并对其进行结构和性能分析。结果表明,两种NbO原料合成的NaNbO粉体以及烧结制备的NaNbO陶瓷均含有铁电相和反铁电相,并且其相含量存在很大的差异。由正交单斜混合相NbO制备的样品记为NN-OM,由纯正交相NbO制备的样品记为NN-O。实验发现,烧结前后,NN-OM所含有的铁电相比NN-O多。此外,样品的形貌和介电、铁电等性能存在显著的差异。主要表现为:NN-OM陶瓷比NN-O的铁电性能更强、居里温度更高。这些实验结果说明NbO原料的晶体结构对NaNbO陶瓷的结构和性能存在影响。(二)将NaNbO与容忍因子较小的铌镁酸铋(Bi(MgNb)O)复合形成二元体系,研究其反铁电结构和性能的变化。结果表明,与Bi(MgNb)O复合后,NaNbO陶瓷从正交相转变为三方相,其晶粒尺寸先减小后增大、居里温度逐渐降低;并且,NaNbO陶瓷反铁电结构的畸变程度增强。在纯NaNbO陶瓷中观察到1/4(100)反铁电衍射斑点,而在复合3mol%Bi(MgNb)O的样品中观察到1/6(100)反铁电衍射斑点。此外,在此二元复合体系中观察到了双电滞回线。这些实验结果说明Bi(MgNb)O有效增强了NaNbO陶瓷的反铁电性能。(三)分别在N和O气氛下制备NaNbO-Na Ta O陶瓷,研究烧结气氛和Na Ta O复合对NaNbO陶瓷结构、介电性能和电导率的影响。结果表明,所有陶瓷样品均为正交反铁电相,晶粒尺寸差别较小。并且,N气氛下样品的介电常数大于O。此外,在纯NaNbO陶瓷中,N气氛下样品的电导率大于O;而与Na Ta O复合后,烧结气氛对NaNbO陶瓷电导率的影响减弱。综上所述,本文首先开展了不同晶体结构的NbO原料对NaNbO陶瓷结构和性能的研究,然后选用正交相NbO,研究了Bi(MgNb)O对NaNbO陶瓷的反铁电增强效应。最后,研究了烧结气氛(N,O)和Na Ta O复合对NaNbO陶瓷结构、介电性能和电导率的影响。结果表明,NaNbO陶瓷的结构和性能因为NbO原料晶体结构的不同而出现了显著的差异,并且Bi(MgNb)O能够有效增强NaNbO陶瓷的反铁电性能。本文不仅在今后NaNbO研究的NbO原料选择上具有参考意义,也获得了1/6反铁电超结构,丰富了NaNbO反铁电体系,有望进一步推动NaNbO的反铁电研究与探索。

关键词：铌酸钠氧化铌铌镁酸铋反铁电电导率

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铌酸钠基陶瓷的制备及储能性能研究

铌酸钠基陶瓷的制备及储能性能研究

作者：马加奇陕西科技大学

学位级别：硕士

能源问题困扰着人类的发展,电能作为能源的一种,相比于其他的能量形式,更易于存储于介质之中。储能陶瓷因储能特性以及快速的充放电性能、高功率密度成为能量存储领域的热点。当今用于储能的陶瓷以含铅元素的陶瓷为主。Pb造成大脑永久... 详细信息

能源问题困扰着人类的发展,电能作为能源的一种,相比于其他的能量形式,更易于存储于介质之中。储能陶瓷因储能特性以及快速的充放电性能、高功率密度成为能量存储领域的热点。当今用于储能的陶瓷以含铅元素的陶瓷为主。Pb造成大脑永久性损伤,伤害河流山川湖泊中的小鱼小虾。电子产品的元器件中大多含有铅,经常使用含铅元素,会对人的大脑和身体造成伤害。无铅化陶瓷的商用重担落在了这一代研究者肩上。本课题目标是研究铌酸钠基无铅电介质陶瓷材料的能量存储特性,并对其物相、介电和铁电等性能进行表征分析。（1-x）NaNbO3-xSr（Nb0.5Al0.5）O3 储能陶瓷（缩简为（1-x）NN-xSNA）经传统固相法制备并进行表征分析。由XRD图谱可知,SNA完全融入到了 NN的晶格当中,钙钛矿结构的特征峰均对应。SEM结果显示,晶粒尺寸不断地增大,最大组分拥有整个体系最大的晶粒尺寸。高于1300℃烧结,产生液相,是造成该现象的原因。而且,SNA的加入降低了 NN的介电常数。庆幸的是,SNA的引入带来了介电损耗降低,这有助于储能性能的提高。Pr数值降低和Eb数值提高,为组分0.75NN-0.25SNA带来了 Wrec=1.617 J·cm-3和η=82.5%,适用于实际应用的温度与频率稳定性该组分也有。（1-x）NaNbO3-xBi（Sn0.5Ni0.5）O3 储能陶瓷（缩简为（1-x）NN-xBSN）经传统固相法制备并进行表征分析。XRD谱图中可清晰明了的看到七大主要峰的对应,证实了 NN的制备成功。SEM图显示,在x=0.12时,晶粒尺寸为1.14μm,在该组分平均晶粒尺寸最小,这与之后的储能性能在该组分最高相一致。总的来说,BSN含量的等差加入,带来的是ε’和tanδ的逐渐减小。Pr数值降低和Eb数值提高,为组分0.88NN-0.12BSN带来Wrec=2.01 J·cm-3和η=80.3%,适用于实际应用的温度与频率双重稳定性该组分也有。该组分在180 kV·cm-1电场下,还拥有着突出的功率密度（PD=88.16 MW·cm-3）和电流密度（CD=979.59A·cm-2）。（1-x）NaNbO3-xBi（Nb0.33Ni0.67）O3 储能陶瓷（缩简为（1-x）NN-xBNN）经传统固相法制备并进行表征分析。通过XRD可以观察到,在BNN含量低于0.15时,没有不属于NN的小峰出现。但BNN含量到达0.20时,杂峰显现,杂峰对应着杂相,在x=0.20的SEM图中观察到明显的其他相。仔细查看各个SEM的平均晶粒尺寸（Ga）,组分x=0.10拥有最小的晶粒尺寸,对应着体系最高的储能性能。Pr奔向低值和Eb数值提高,为组分0.90NN-0.10BNN的体系提供了Wrec=2.297 J·cm-3和η=79.7%。适用于实际应用的温度与频率稳定性0.10BNN也有。（1-x）NaNbO3-xBi（Zr0.5Mg0.5）O3 储能陶瓷（缩简为（1-x）NN-xBZM）经传统固相法制备并进行表征分析。在x=0.03-0.18的XRD谱图中,均没有发现任何第二相的出现,完美的NN固溶体被制备了出来。同一尺度下测量的SEM显示,x≤0.09,晶粒尺寸较小,x＞0.09时,晶粒尺寸增加了近一倍,也更加的紧凑致密。总体看来,BZM的添加,同样带来介电常数与损耗的降低。Pr数值向零值靠近和Eb数值提高,为组分0.88NN-0.12BZM带来了Wrec=3.01 J·cm-3和η=90.3%,适用于实际应用的双重稳定性（温度及频率）该组分也出现了。同时,0.12BZM组分陶瓷在220kV·cm-1电场下表现出大的PD=38.67 MW·cm-3,Wdc=0.512 J·cm-3和短瞬的t0.9=41.2 ns的放电特性。

关键词：铌酸钠电介质陶瓷介电性能储能密度功率密度

铌酸钠基无铅反铁电陶瓷的制备及电学性能研究

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铌酸钠基无铅反铁电陶瓷的制备及电学性能研究

作者：唐昕雅广西大学

学位级别：硕士

电介质电容器具有充放电速率快、功率密度高和温度稳定性好等优点,在新能源汽车、医疗激光和军事工业等领域有广泛的应用。随着5G技术不断发展,电子元器件逐渐趋于薄型化、多元化和小型化,对电介质电容器的储能密度提出了更高的要求。... 详细信息

电介质电容器具有充放电速率快、功率密度高和温度稳定性好等优点,在新能源汽车、医疗激光和军事工业等领域有广泛的应用。随着5G技术不断发展,电子元器件逐渐趋于薄型化、多元化和小型化,对电介质电容器的储能密度提出了更高的要求。铌酸钠(NaNbO,简称NN)具有高居里温度和高极化强度,是极具有前景的无铅反铁电储能材料。然而,纯NN陶瓷存在较大的剩余极化强度,难以获得高的储能密度。此外,采用传统的高温烧结技术容易引起晶粒尺寸粗大,削弱其电学性能,并造成大量的能源损耗。因此,如何进一步提升NN陶瓷的储能密度并降低其烧结温度成为目前研究的重点。本文以NN陶瓷为研究对象,一方面通过组分和微观结构的调控,实现储能密度的提高;另一方面,探索NN陶瓷的冷烧结制备技术,研究低温烧结对其微观结构和电学性能的影响。(1)采用降低体系容忍因子的调控策略,在NN体系中引入Ca Zr O(简称CZ),降低剩余极化强度。研究结果表明,一定量的CZ可以进入NN晶格,有效稳定反铁电相。同时,少量第二相Zr O附着在晶界边缘,可以作为晶粒生长抑制剂,起到细化晶粒的效果,使晶粒尺寸从5.35μm降低至2.82μm。当CZ含量为14 mol%时,可获得最高电场为370 k V/cm、可逆储能密度为3.0 J/cm和储能效率为85.3%,此外,还表现出良好的温度和频率稳定性。上述结果表明,CZ掺杂的NN陶瓷是十分具有潜力的无铅电介质储能材料。(2)以0.86NaNbO-0.14Ca Zr O组分为研究对象,引入Mn O作为助烧剂在高温时形成液相,以促进陶瓷烧结,并对其微观结构和储能性能进行了系统性地研究。研究结果表明,Mn O没有改变陶瓷的晶体结构,但可以显著降低烧结温度、提高致密度和降低漏电流。其中最优组分Mn O含量为0.50 mol%和最高击穿电场为430 k V/cm时,可获得优异的储能性能(可逆储能密度为3.6 J/cm和储能效率为91.9%),为提高无铅电介质材料的储能特性提供了研究思路。(3)为解决NN陶瓷高温烧结引起的Na元素挥发和晶粒粗大等问题,采用冷烧结技术制备了高质量的NN陶瓷,并对其相结构、微观结构和电学性能进行了系统性地研究。研究结果表明,陶瓷胚体经过冷烧结后的密度为92.6%,在1230℃后期热处理后可获得的高致密陶瓷具有96.9%的相对密度和3.65μm的晶粒尺寸。而传统固相烧结在1300℃的条件下制备的NN陶瓷获得的相对密度为93.5%,晶粒尺寸为6.95μm。此外,通过冷烧结和1245℃的后期热处理工艺下制备的NN陶瓷的极化强度高达34.2μC/cm。

关键词：铌酸钠容忍因子冷烧结技术后期热处理电滞回线

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铌酸钠基介电陶瓷的制备及储能特性研究

铌酸钠基介电陶瓷的制备及储能特性研究

作者：魏甜华中科技大学

学位级别：硕士

铌酸钠具有适中的介电常数,较高的电击穿强度,是理想的介电储能陶瓷电容器材料。在高电场下,铌酸钠的场感应铁电相使得材料剩余极化增加,储能效率低。因此,本文对铌酸钠进行化学改性以破坏其电场诱导铁电相,获得适宜于储能应用的新体系... 详细信息

铌酸钠具有适中的介电常数,较高的电击穿强度,是理想的介电储能陶瓷电容器材料。在高电场下,铌酸钠的场感应铁电相使得材料剩余极化增加,储能效率低。因此,本文对铌酸钠进行化学改性以破坏其电场诱导铁电相,获得适宜于储能应用的新体系铌酸钠基陶瓷。分别采取低温烧结,放电等离子烧结的方法,使陶瓷晶粒细化,进一步增强陶瓷的介电储能性能。具体研究内容与结论如下:(1)选取弛豫铁电体SrBiTi O(SBT)对Na Nb O(NN)进行掺杂。SBT的纳米极性微区引入后可以破坏NN基体中铁电的长程有序性。随着SBT含量的增加,陶瓷的击穿场强得到提高,反铁电-铁电相变电场提高至陶瓷的击穿场强之上。在200k V/cm电场下对不同含量SBT掺杂样品进行比较,NN-24SBT具有最低的剩余极化。同时,还具有优异的温度(25℃-125℃)稳定性和频率(10 Hz-500 Hz)稳定性。最终NN-24SBT陶瓷在350 k V/cm的电场下达到4.74 J/cm的可释放储能密度并兼具87.5%的高储能效率。(2)针对NN-SBT体系烧结温度较高,并且在烧结过程中Na,Bi元素易挥发,导致陶瓷对烧结温度敏感,性能不稳定的问题,选取Cu O作为助烧结剂,制备NN-24SBT:Cu O复合陶瓷。Cu O的添加成功将烧结温度由1140℃降低至995℃。降低的烧结温度以及在晶界处分布的Cu O均能抑制基体晶粒生长,有利于提高复合陶瓷击穿场强。最终,复合陶瓷在470 k V/cm的电场下达到6.28 J/cm的可释放储能密度,展现出降低晶粒大小对铌酸钠基陶瓷储能性能的积极影响。(3)采用放电等离子烧结(Spark Plasma Sintering,简称SPS)工艺制备NN-24SBT,相比低温烧结,能够避免由于第二相扩散造成的陶瓷性能下降。SPS法制备的NN-24SBT陶瓷晶粒平均尺寸降低至1.62μm。结合陶瓷SEM进行电场模拟,发现更多的晶界使得材料电势分布更均匀,晶界处承受的局部电场更低。因此,细晶陶瓷的击穿强度得到显著提高。最终SPS法制备的NN-24SBT陶瓷击穿场强提高至578k V/cm,相对常规烧结法提高65%,储能密度达到12.21 J/cm,并具有84.1%的高储能效率。

关键词：铌酸钠击穿场强介电储能复合陶瓷放电等离子烧结

静电纺PVDF/铌酸钠复合纤维膜制备及压电性能

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工程塑料应用 2020年第7期48卷 17-21,32页

作者：夏毓霜李阳胡国华王珊熊传溪武汉理工大学材料科学与工程学院武汉430070

为获得环保、柔软和高压电性材料,拓展压电材料在能量收集、传感器、可穿戴电子器件等方面的应用,采用静电纺丝技术制备出了高压电性的聚偏氟乙烯(PVDF)/铌酸钠复合纤维膜。通过全反射傅立叶变换红外光谱仪、差示扫描量热仪、X射线衍射... 详细信息

为获得环保、柔软和高压电性材料,拓展压电材料在能量收集、传感器、可穿戴电子器件等方面的应用,采用静电纺丝技术制备出了高压电性的聚偏氟乙烯(PVDF)/铌酸钠复合纤维膜。通过全反射傅立叶变换红外光谱仪、差示扫描量热仪、X射线衍射仪及示波器和静电计对复合纤维膜的结构和压电性能进行了表征和分析,探究了两种不同形貌铌酸钠以及不同添加量对于复合纤维膜结晶结构和压电性能的影响。结果表明,适量添加两种不同形貌铌酸钠颗粒,都可在一定程度上提高复合纤维膜中电活性β晶型的含量,并且作为成核剂促进PVDF的结晶,其中立方体形貌铌酸钠颗粒作用效果更为明显。当立方体状铌酸钠质量分数为9%时,复合纤维膜的β晶型相对含量达到81.49%,开路电压和短路电流达到了2.79 V和0.75μA,与纯PVDF纤维膜的1.17 V和0.08μA相比有显著的提高。

关键词：铌酸钠聚偏氟乙烯静电纺丝压电