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鈦酸鹽系無鉛儲能陶瓷的制備 |
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| 鈦酸鹽系無鉛儲能陶瓷的制備,近年來,儲能元件不斷向無鉛化、小型化、大儲能密度以及高儲能效率的方向發(fā)展。陶瓷電介質(zhì)材料因其介電常數(shù)高、熱穩(wěn)定性好、力學(xué)性能突出等優(yōu)點,在先進脈沖電力電子技術(shù)中受到了越來越多的關(guān)注。 目前應(yīng)用中的陶瓷電介質(zhì)材料大多含有鉛元素,而鉛元素對環(huán)境和人體有害,然而無鉛的陶瓷介電材料因其相對較低的儲能密度和儲能效率,限制了其更廣泛的應(yīng)用。因此,本文研究目的就是圍繞Bi_(0.5)Na_(0.5)TiO_3基和BaTiO_3基陶瓷的儲能特性,對其進行了一系列改性,在提高陶瓷材料擊穿場強和降低能量損耗的前提下,進而得到儲能密度和儲能效率優(yōu)異的儲能陶瓷材料,最后對本研究所制備出的儲能陶瓷材料的相關(guān)性能進行系統(tǒng)的分析和研究。 通過傳統(tǒng)固相法和流延成型法制備(1-x)(0.95Bi_(0.5)Na_(0.5)TiO_3-0.05Ba(Al_(0.5)Nb_(0.5))O_3)-xMgO-Al_2O_3-SiO_2(簡記為(1-x)(0.95BNT-0.05BAN)-xMAS)儲能陶瓷。研究結(jié)果表明,(1-x)(0.95BNT-0.05BAN)-xMAS儲能陶瓷具有鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)。 隨著MAS玻璃添加量的不斷增加,其介電常數(shù)和介電損耗均表現(xiàn)出逐漸減小的趨勢,并且其介電常數(shù)的最大值對應(yīng)的溫度(T_m)逐漸向高溫方向移動。當(dāng)x=0.04時,能得到最佳的能量存儲特性,此時,充電儲能密度W=3.90 J/cm~3,放電儲能密度W_(rec)=1.22 J/cm~3。 通過傳統(tǒng)固相法和流延成型法制備出(SrTiO_3+0.5 wt%Li_2CO_3)/[(1-x)Bi_(0.5)Na_(0.5)TiO_3-xBa(Al_(0.5)Nb_(0.5))O_3](簡記為STL/[(1-x)BNT-xBAN])層狀儲能陶瓷。研究結(jié)果表明,STL/[(1-x)BNT-xBAN]層狀儲能陶瓷具有純的鈣鈦礦型結(jié)構(gòu),當(dāng)x值不斷變大時,其介電常數(shù)和介電損耗均呈現(xiàn)出先增加,后減小的趨勢。同時,T_m逐漸向低溫方向移動。當(dāng)x=0.15時,能夠得到最佳的能量存儲特性,其W=2.32 J/cm~3,W_(rec)=1.63 J/cm~3,能量存儲損耗W_(loss)=0.69 J/cm~3,儲能效率η=70%。通過傳統(tǒng)固相法和冷等靜壓成型法制備(1-x)BaTiO_3-xK_(0.73)Bi_(0.09)NbO_3(簡記為(1-x)BT-xKBN)儲能陶瓷。研究結(jié)果表明,BT和KBN能夠形成鈣鈦礦型固溶體。當(dāng)x值不斷變大時,(1-x)BT-xKBN儲能陶瓷的介電常數(shù)和介電損耗均呈現(xiàn)出先增大,后減小的趨勢,而且T_m漸漸向低溫方向移動。 在x=0.08時,能夠得到最佳能量存儲特性,在327 kV/cm的最大擊穿場強下,其W可以達到2.89 J/cm~3,W_(rec)可以達到2.51 J/cm~3,W_(loss)低至0.38 J/cm~3,η高達87%。另外,(1-x)BT-xKBN儲能陶瓷在相當(dāng)寬的溫度和頻率范圍內(nèi),具有良好的溫度和頻率穩(wěn)定性。通過傳統(tǒng)固相法和冷等靜壓成型法制備Bi_(0.5-x)La_x(Na_(0.82)K_(0.18))_(0.5)(Al_(0.5)Nb_(0.5))_(0.08)Ti_(0.9)Zr_(0.02)O_3(簡記為BNKTANZ-xL)儲能陶瓷。研究結(jié)果表明,BNKTANZ-xL儲能陶瓷具有純的鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)。當(dāng)x值漸漸增大時,BNKTANZ-xL儲能陶瓷的介電常數(shù)和介電損耗都逐漸減小,而且T_m漸漸向低溫方向移動。當(dāng)x=0.04和x=0.06時,其W_(rec)值都大于3 J/cm~3。當(dāng)x=0.04時,儲能陶瓷最大擊穿場強能夠達到214 kV/cm,此時,能夠獲得比較高的W(W=4.49 J/cm~3),同時具有比較高的W_(rec)(W_(rec)=3.16J/cm~3)。當(dāng)x=0.06時,在200 kV/cm的擊穿場強下,W可以達到3.95 J/cm~3,相應(yīng)的W_(rec)可以達到3.24 J/cm~3,η可以達到82%。 另外,BNKTANZ-xL儲能陶瓷在相當(dāng)寬的溫度和頻率范圍內(nèi),具有良好的溫度和頻率穩(wěn)定性。 |