添加SrO-B2O3-SiO2玻璃對BaxSr1-xTiO3基陶瓷介電性能的影響.pdf

1、隨著新能源系統(tǒng)、混合動力汽車逆變設(shè)備的發(fā)展及電力、電子系統(tǒng)器件小型化、低成本化的需求,大功率高儲能密度介電材料的研制成為未來技術(shù)進步的關(guān)鍵。本論文以BaxSr1-xTiO3陶瓷為基體,研究了高嶺土、SrO-B2O3-SiO2玻璃添加及Zr4+摻雜在改善陶瓷介電性能、儲能密度方面的作用,目的是在保持陶瓷具有較高介電常數(shù)的前提下,進一步提高其擊穿強度,以實現(xiàn)較高的儲能密度。
　　 本論文以高嶺土為燒結(jié)助劑采用高溫固相法制備了BaTi

2、O3陶瓷。通過對樣品進行密度、XRD、SEM、介頻譜、擊穿強度和介溫譜測試,研究了高嶺土含量對陶瓷燒結(jié)溫度、晶相組成、微觀結(jié)構(gòu)及介電性能的影響。實驗結(jié)果表明:陶瓷燒結(jié)過程中,高嶺土與部分BaTiO3發(fā)生反應(yīng),形成BaO-TiO2-Al2O3-SiO2玻璃相,導(dǎo)致陶瓷的燒結(jié)溫度降低到～1200℃;隨著高嶺土添加量從0增加到8.0wt%,陶瓷均為單相的鈣鈦礦結(jié)構(gòu),陶瓷平均晶粒尺寸從4.0μm減至0.5μm,當(dāng)添加量為10.0wt%時,導(dǎo)致B

3、aAl2Si2O8相的形成;高嶺土的添加導(dǎo)致了陶瓷介電常數(shù)的降低及介電損耗的增加,但玻璃相的存在提高了陶瓷的致密度,導(dǎo)致樣品的擊穿強度顯著增加,當(dāng)高嶺土添加量為8.0wt%時,陶瓷的擊穿強度達到8.83kV/mm,大約是純BaTiO3陶瓷的2.64倍。
　　 由于SrTiO3可以與BaTiO3實現(xiàn)完全固溶,且SrTiO3具有高擊穿強度及低介電損耗等優(yōu)良性能,本論文采用高溫固相法制備了Ba0.4Sr0.6TiO3陶瓷,并選取耐壓強

4、度較高且與Ba0.4Sr0.6TiO3潤濕性較好的SrO-B2O3-SiO2系統(tǒng)玻璃為燒結(jié)助劑。通過對樣品進行密度、XRD、介頻譜、擊穿強度和電滯回線測試,研究了玻璃含量對陶瓷致密度、晶相組成、介電性能及儲能特性的影響。實驗結(jié)果表明:添加玻璃后,Ba0.4Sr0.6TiO3陶瓷的燒結(jié)溫度從1360℃降低到1080℃,所有樣品均為鈣鈦礦結(jié)構(gòu),沒有第二相的產(chǎn)生;陶瓷的介電常數(shù)及介電損耗隨著玻璃含量的增加而減小,而擊穿強度隨著玻璃含量的增加而

5、增加,采用Thermochemical模型討論了介電常數(shù)與擊穿強度的關(guān)系;當(dāng)玻璃含量為2.0wt%時,樣品放電過程的能量密度為0.44J/cm3,能量利用效率為67.4%。
　　 為了進一步提高Ba0.4Sr0.6TiO3陶瓷的介電常數(shù)與擊穿場強,本論文采用固相法制備了Ba0.4Sr0.6(ZryTi1-y)O3陶瓷,并加入一定量的SrO-B2O3-SiO2系統(tǒng)玻璃作為燒結(jié)助劑以降低陶瓷的燒結(jié)溫度。通過對樣品進行密度、介頻譜、擊

6、穿強度和介溫譜測試,研究了Zr4+摻雜量對陶瓷致密度、介電常數(shù)及擊穿強度的影響,并對陶瓷的弛豫行為進行了初步探討。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn):陶瓷的燒結(jié)溫度隨著Zr4+摻雜量的增加而升高;陶瓷的介電常數(shù)與擊穿強度隨著Zr4+摻雜量的增加先增加后減小,當(dāng)y=15%時獲得最大值,而陶瓷的介電損耗隨著Zr4+摻雜量的增加變化很小;介電損耗隨著溫度的變化出現(xiàn)一個峰,該峰的位置隨著Zr4+摻雜量的改變發(fā)生變化。
　　 針對Ba0.4Sr0.6Zr0.1

7、5Ti0.85O3陶瓷具有較高的介電常數(shù)和擊穿強度,以及所出現(xiàn)的弛豫現(xiàn)象,本論文研究了不同添加量SrO-B2O3-SiO2系統(tǒng)玻璃對Ba0.4Sr0.6Zr0.15Ti0.85O3陶瓷性能的影響。通過對樣品進行密度、介頻譜、復(fù)阻抗、擊穿強度和電滯回線測試,分析了玻璃含量對陶瓷燒結(jié)溫度、介電常數(shù)、儲能特性的影響。結(jié)果表明:陶瓷的擊穿強度隨著玻璃含量的增加而增大,當(dāng)玻璃含量為20wt%時,樣品的擊穿強度達到22.4kV/mm;通過對比擊穿強