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基于静电纺丝的bctz压电纳米发电机的制备与研究

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基于静电纺丝的BCTZ压电纳米发电机的制备与研究

作者：范贺贺上海交通大学

学位级别：硕士

全球范围内化石能源的过度使用引发了严峻的能源危机和恶劣的环境问题。坚定实行可持续的发展战略,加快开发可再生的清洁新能源已迫在眉睫。压电纳米发电机可以有效地把环境中的微弱机械能转变为电能,从而有望引领一场微纳尺度的新能源... 详细信息

全球范围内化石能源的过度使用引发了严峻的能源危机和恶劣的环境问题。坚定实行可持续的发展战略,加快开发可再生的清洁新能源已迫在眉睫。压电纳米发电机可以有效地把环境中的微弱机械能转变为电能,从而有望引领一场微纳尺度的新能源技术革命。本文以寻找环境友好、无污染的高性能压电材料为背景,以无铅bctz压电陶瓷为基础,以静电纺丝技术为主要的材料制备方案,定性地对比研究了三种基于bctz的柔性压电纳米发电机,并从原理上对其差异性的压电性能进行了分析和解释。基于静电纺丝制备的bctz纳米纤维经焙烧后,细腻光滑的表面变得十分粗糙,直径均匀地分布在100 nm–250 nm左右,并且结晶良好;在规律性的手指敲击作用下,基于无序bctz纳米短棒压电发电机输出的开路电压和短路电流最大分别为0.6 V、10 nA;经介电泳定向后,无序bctz纳米短棒在PDMS中沿电场线一致取向排列,纳米发电机的开路电压和短路电流分别提升至2.2 V、90 nA;利用平行铁丝电极收集的bctz纳米纤维具有良好一致取向性,由此制备的纳米发电机在规律性的弯折作用下,输出的最大开路电压、短路电流达到了3 V和110 nA。以上实验数据表明,介电泳和平行电极可以有效地提高纳米纤维的取向性,进而大幅度地改善其压电性能。这也充分证明了无铅bctz压电陶瓷材料在生物力学能量采集等领域具有巨大的应用潜力。

关键词：压电纳米发电机 bctz 静电纺丝介电泳 PDMS

中低温烧结超高耐压钛酸钡基bctz陶瓷材料的研究

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电子元件与材料 2017年第10期36卷 19-26页

作者：李文兴韩阿敏魏青峰陕西华星电子开发有限公司陕西咸阳712099

采用传统固相反应法制备出Li^+和Na^+掺杂的(Ba_(1–x)Ca_x)(Zr_yTi_(1–-y))O_3(bctz)介电陶瓷材料,研究了助烧剂(Li^+和Na^+)在不同预烧和烧结温度下对bctz陶瓷材料相结构、介电性能和耐压特性的影响。结果表明:通过Li^+和Na^+的掺杂,... 详细信息

采用传统固相反应法制备出Li^+和Na^+掺杂的(Ba_(1–x)Ca_x)(Zr_yTi_(1–-y))O_3(bctz)介电陶瓷材料,研究了助烧剂(Li^+和Na^+)在不同预烧和烧结温度下对bctz陶瓷材料相结构、介电性能和耐压特性的影响。结果表明:通过Li^+和Na^+的掺杂,bctz陶瓷材料均为纯钙钛矿结构,Li^+掺杂bctz陶瓷材料的最佳预烧温度为1250℃,烧结温度为1135℃,所得材料的相对介电常数εr为1051,介质损耗tanδ为2×10^(–4),直流击穿电压V_(DC)为15.5×10~3 V/mm,交流击穿电压V_(AC)为11.0×103 V/mm;Na^+掺杂bctz陶瓷材料的最佳预烧温度为1120℃,烧结温度为1135℃,所得材料的εr为1063,tanδ为4×10^(–4),V_(DC)为15.2×10~3 V/mm,V_(AC)为10.1×10~3 V/mm。

关键词：中低温烧结 bctz Li^+和Na^+掺杂钙钛矿结构介电性能超高耐压

纳米Dy_2O_3掺杂bctz压电陶瓷的电学性能

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常州大学学报（自然科学版） 2017年第4期29卷 13-18页

作者：陈智慧李志伟丁建宁常州大学材料科学与工程学院江苏常州213164

采用共沸蒸馏沉淀法制备了平均粒径为16nm,分散性良好的Dy_2O_3纳米粉体。将纳米粉体按照0.5%,1.0%的比例掺入Ba_(0.85)Ca_(0.15)(Ti_(0.9)Zr_(0.1))O_3(bctz)中,在1 480℃,1 490℃的温度下固相烧结2h得到纳米Dy_2O_3掺杂的Ba_(0.85)Ca_(0.15)(Ti_(0.9)Zr_(0.1))O_3无铅压电陶瓷(bctz-Dy)。XRD分析表明,掺杂纳米Dy2O3没有改变纯bctz陶瓷的钙钛矿结构。陶瓷的致密度均大于93.66%。bctz-Dy陶瓷的室温介电常数和介电损耗均随频率的增加而降低,表现出明显的频率弥散现象和介电峰宽化的弥散相变特征,表明该陶瓷样品为弛豫铁电体。纳米Dy_2O_3的加入使bctz的临界温度由95.18℃降低至77.85℃,同时使bctz陶瓷的弛豫性能降低。

关键词：纳米Dy2O3 bctz 介电压电性

制备工艺对(Ba0.85Ca0.15)(Ti0.9Zr0.1)O3无铅压电陶瓷结构与性能的影响

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无机材料学报 2017年第3期32卷 299-304页

作者：龙佩青刘希涛易志国中国科学院福建物质结构研究所中国科学院光电材料化学与物理重点实验室福州350002

采用液相混合与固相烧结相结合的方法制备了(Ba_(0.85)Ca_(0.15))(Ti_(0.9)Zr_(0.1))O_3(bctz)无铅压电陶瓷,系统研究了烧结保温时间对其相结构、介电、压电和铁电性能的影响以及电学性能随温度的变化。研究结果表明:制备的陶瓷样品具... 详细信息

采用液相混合与固相烧结相结合的方法制备了(Ba_(0.85)Ca_(0.15))(Ti_(0.9)Zr_(0.1))O_3(bctz)无铅压电陶瓷,系统研究了烧结保温时间对其相结构、介电、压电和铁电性能的影响以及电学性能随温度的变化。研究结果表明:制备的陶瓷样品具有单一的四方钙钛矿结构。当烧结温度为1540℃时,随着保温时间的延长,样品晶粒尺寸变大,居里温度(Tc)升高,压电性能提高,电致伸缩性能下降。当保温时间为24 h时,bctz陶瓷综合性能最为优异:Tc^90℃,tanδbctz陶瓷的电学性能具有很强的温度依赖性,随着温度的升高其电学性能逐渐下降。

关键词： bctz 无铅压电陶瓷制备工艺热稳定性

钡过量及复合对BTFN材料结构和介电性能的影响

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钡过量及复合对BTFN材料结构和介电性能的影响

作者：张曼华中师范大学

学位级别：硕士

微电子产业以及储能产业的发展需要介电常数高、损耗低、耐压高的介电材料。业已发现,BTFN（BaTi0.5（Fe0.5Nb0.5）O3）材料具有较高的介电常数,但介电损耗偏高、导致耐压和储能密度偏低。一般认为,此材料具有核壳结构,核导电而壳不易... 详细信息

微电子产业以及储能产业的发展需要介电常数高、损耗低、耐压高的介电材料。业已发现,BTFN（BaTi0.5（Fe0.5Nb0.5）O3）材料具有较高的介电常数,但介电损耗偏高、导致耐压和储能密度偏低。一般认为,此材料具有核壳结构,核导电而壳不易导电。壳中微量Fe2+与Fe3+的共存使其绝缘性不足,导致材料的介电损耗偏高、耐压和储能密度偏低。为降低BTFN材料的介电损耗,提高耐压和储能密度,本文进行了如下四部分研究:1.考察BaO过量对BTFN材料结构、导电性和介电性能的影响。结果表明:氧化钡过量对材料（x=0-0.1）晶相结构无明显影响,均为立方结构,随氧化钡过量程度（x）增加,材料电导率降低,耐压值提高,介电常数降低,较高温度区（＞150℃）的介电损耗降低。2.研究了玻璃BTFN双层陶瓷材料,结果表明玻璃和BTFN串联介电损耗明显降低,尤其在35℃-95℃区间,介电损耗小于0.018,但由于玻璃的介电常数小,与BTFN串联后使材料的介电常数降低太多,储能密度也减小。3.考察了包裹玻璃对BTFN陶瓷材料的影响,结果表明包裹玻璃降低了材料的电导率,进而降低介电损耗。包裹玻璃介电常数降低,但材料的耐压增大,使得材料的储能密度均提高,尤其是包裹量为3%的样品,储能密度达到最大（0.0012 J/cm3）。4.研究了（Ba0.96Ca0.04）（Ti0.82Zr0.18）（bctz）包裹 BTFN 陶瓷材料,研究表明,包裹bctz的量为10%时,提高了材料的介电常数（7500）,降低材料的介电损耗（0.074）;当包裹量增加至50%时,介电常数降低,但是材料的储能密度达到最大。

关键词：介电材料 BTFN BaO过量玻璃 bctz 介电常数介电损耗耐压储能密度

(Ba,Ca)(Ti,Zr,Sn)O3无铅压电陶瓷的制备与性能研究

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(Ba,Ca)(Ti,Zr,Sn)O3无铅压电陶瓷的制备与性能研究

作者：于坤景德镇陶瓷学院

学位级别：硕士

在室温下,由于bctz基无铅压电陶瓷具有较高的压电性能,是一类A、B位离子复合取代的铁电体,被认为是最有可能取代铅基陶瓷的材料。本文通过固相法制备了 bctz基无铅压电陶瓷,研究了掺杂改性等方法对bctz陶瓷的影响,研究主要内容如下:(1)... 详细信息

在室温下,由于bctz基无铅压电陶瓷具有较高的压电性能,是一类A、B位离子复合取代的铁电体,被认为是最有可能取代铅基陶瓷的材料。本文通过固相法制备了 bctz基无铅压电陶瓷,研究了掺杂改性等方法对bctz陶瓷的影响,研究主要内容如下:(1)采用固相法制备了(BaCa)(TiZrO-xmol%CoO(bctz-xCo,x=0-1.4)无铅压电陶瓷。研究了不同Co掺杂量对该陶瓷的显微结构、介电性能及压电性能的影响。结果表明,所有样品均具有单一的钙钛矿结构,随CoO含量的增加,晶粒尺寸逐渐细化减小,介电常数εr、压电常数d33、平面机电耦合系数kp均呈下降趋势。机械品质因数Qm显著增大,当x=0.7时,具有最佳的综合电性能,其中:d33 = 392pC/N、Kp = 46.0%、Qm=435、tanδ=0.62%,表明 bctz-xCo 陶瓷材料是一种具有应用前景的无铅压电材料。(2)采用固相法制备了(BaCa)(TiZrSn)O-xmol%FeO(简写为bctzS-Fe)无铅压电陶瓷。研究了不同掺杂量对该陶瓷的显微结构、介电、铁电及压电性能的影响。结果表明,所有样品均具有单一的钙钛矿结构,少量掺杂能使晶粒长大,提高电性能。在x=0.025时,具有最佳的综合电性能,压电常数d33 = 515 pC/N,机电耦合系数Kp= 48.2%,机械品质因数Qm= 182,2Pr= 18.2μC/cm2,2Ec= 4.3 kV/cm,介电常数εr=5175。(3)采用固相法制备了(BaCa)(TiZr)C无铅压电陶瓷。通过XRD、SEM、介电温谱及阻抗Cole-Cole图研究了陶瓷样品的微结构、介电及阻抗性能。发现在Tc温度以上表现出明显的频率色散和弛豫行为,在400～500℃温度范围和40Hz-3MHz频率范围对其介电性能及复阻抗谱进行研究,表明存在晶粒和晶界对介电弛豫的共同作用,电导率满足Arrhenius关系,晶界活化能Ea(gb)大于晶粒活化能.Ea(g),在x=0.01处具有最大的晶粒电阻Rg和最小的晶界活化能Ea(gb)。

关键词： bctz 无铅压电陶瓷复阻抗压电性能