SrTiO3基儲能介質(zhì)陶瓷的結構調(diào)控及介電性能研究.pdf

1、脈沖形成線的小型化趨勢使得具有高介電常數(shù)、高絕緣性能電介質(zhì)材料的研制成為了重要研究課題。本論文選擇SrTiO3陶瓷作為研究體系，引入玻璃添加劑對陶瓷進行結構調(diào)控，改善其絕緣性能；通過+3價稀土Pr元素摻雜對SrTiO3陶瓷進行組分調(diào)節(jié)，提高陶瓷體系的介電常數(shù)；在制得具有高介電常數(shù)的Pr摻雜SrTiO3陶瓷的基礎上，引入玻璃添加劑優(yōu)化陶瓷的電學結構，以期獲得具有高介電常數(shù)、高絕緣性能的儲能介質(zhì)陶瓷。
　　 采用以下幾種玻璃添加劑對

2、SrTiO3陶瓷進行結構調(diào)控：(1)非晶態(tài)SiO2，簡寫作S，其D50為4.0μm；(2)固相法制備Ba-Al-B-Si-O玻璃，簡寫作G，其D50為12.7μm；(3)溶膠-凝膠法制備Ba-Al-B-Si-O玻璃，簡寫作SG，根據(jù)球磨時間的調(diào)節(jié)得到D50分別為6.1μm、2.2μm和0.6μm的3種不同顆粒尺寸的玻璃粉體，分別簡寫作SG1、SG2和SG3。通過對各玻璃添加劑改性SrTiO3陶瓷的燒結性能、結構及相關介電性能進行對比，最

3、終選擇SG2作為SrTiO3基儲能陶瓷的玻璃添加劑。
　　 探討了SrTiO3基儲能陶瓷的電學結構與介電性能的內(nèi)在相關性。通過交流阻抗與介電性能測試，發(fā)現(xiàn)SrTiO3陶瓷的絕緣性能主要來源于晶界，并且陶瓷內(nèi)部晶粒與晶界之間存在界面極化。在SG2添加改性SrTiO3陶瓷中，添加劑分布于陶瓷晶界中，提高了陶瓷整體的絕緣性能，最終改善了陶瓷的儲能性能；同時，添加劑的引入也會增強陶瓷內(nèi)部的界面效應，影響陶瓷的介電性能。
　　 采

4、用+3價稀土Pr元素摻雜改性SrTiO3陶瓷，以PrxSr1-xTiO3為陶瓷組分，通過固相法獲得常溫1kHz介電常數(shù)在310～4750范圍內(nèi)的陶瓷介質(zhì)材料，當x=0.0100時，陶瓷體系具有最高的介電常數(shù)4750。介電性能測試結果表明，陶瓷在-150～450℃范圍內(nèi)存在多個介電弛豫現(xiàn)象，證實其內(nèi)部存在缺陷極化機制。同時，交流阻抗譜分析結果表明，在一些具有高介電常數(shù)(103數(shù)量級)的陶瓷樣品內(nèi)部存在著半導化晶粒、絕緣中間區(qū)域和絕緣晶界3

5、種電學區(qū)域，證實其內(nèi)部存在界面極化機制。
　　 探討了氧空位與Pr摻雜SrTiO3陶瓷內(nèi)部極化機制的內(nèi)在聯(lián)系。在1100℃空氣氣氛下對Pr摻雜SrTiO3陶瓷組分樣品進行熱處理，并考察熱處理后陶瓷的介電弛豫特性及電學結構的變化。結果表明，陶瓷在-150～450℃范圍內(nèi)的各介電弛豫現(xiàn)象均對應陶瓷內(nèi)部氧空位形成的缺陷偶極子極化；同時，氧空位電離對陶瓷晶粒的半導化也有著較大貢獻，其顯著增強了陶瓷內(nèi)部的界面極化。因此，Pr摻雜SrTiO

6、3陶瓷內(nèi)部存在氧空位是其介電常數(shù)提高的主要原因。
　　 在PrxSr1-xTiO3陶瓷體系中選取介電常數(shù)最高的x=0.0100組分，記作PSTO陶瓷體系。在陶瓷中引入SG2添加劑，優(yōu)化其電學結構，可以明顯改善了陶瓷的絕緣性能；同時，SG2添加劑的引入可顯著降低PSTO陶瓷的介電損耗。當SG2添加劑含量為20vol.％時，陶瓷具有較優(yōu)的介電性能：在常溫1kHz頻率下的介電常數(shù)和介電損耗分別為514和0.008，直流電阻率為6.23