Bi0.5Na0.5TiO3-BaTiO3-KNbO3储能介质陶瓷的制备和性能研究

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高功率脉冲电源系统小型化、高功率化的发展要求储能介质材料具有更高的储能密度。反铁电储能材料具有优异的储能性能,但是随着环境保护提出无铅化的要求,亟需寻找储能性能可与之媲美的无铅储能介质材料来替代它。Bi0.5Na0.5TiO3(BNT)基陶瓷近来被广泛研究在储能方面的潜力,其具有反铁电特性,居里温度高(BNT为320℃),反铁电和铁电的转变过程储存和释放巨大能量,这让其可能成为一种储能密度高、高温稳定性好的相变储能材料。如何改性BNT基陶瓷,让其电滞回线在保持较大极化强度的同时变得细瘦,以获得更高的储能密度和储能效率成为研究的热点和难点。沿着该思路,本文用KNbO3固溶改性0.93Bi0.5Na0.5TiO3–0.07BaTiO3,制备出储能性能优异的无铅反铁电介质陶瓷。采用传统固相法制备了(1-x)(0.93Bi0.5Na0.5TiO3-0.07BaTiO3)-xKNbO3(简称(1-x)BNTBT-xKN,或者100xKN)陶瓷。XRD显示形成了纯钙钛矿结构,并且随着KN增加,发生了三方四方共存向四方相的转变。电学性能测试表明,KN含量增加时,相转变温度降低,室温下展现了细长的弛豫反铁电特征的电滞回线。KN加入后的陶瓷展现了优异的储能性能,在10Hz,6kV/mm下,9KN的可释放储能密度为0.51J/cm3,储能效率达到78%,可媲美铅基反铁电储能陶瓷。采用湿化学法制备了(1-x)BNTBT-xKN陶瓷。分别采用溶胶凝胶法合成了纯相的平均粒径约50nm BNTBT粉料,采用水热法合成了纯相的平均粒径约200nm的KN粉料,将两种粉料按照化学配比球磨混合均匀,制备出(1-x)BNTBT-xKN陶瓷。XRD显示各组分陶瓷样品均呈现单相钙钛矿结构,陶瓷的晶粒大小均匀。相比传统固相法,采用湿化学法制备的介质陶瓷对击穿强度有一定改善作用。13KN的室温储能性能最好,击穿强度为12.5kV/mm,储能密度达到1.41J/cm3。5KN具有优异的高温储能性能,125℃时储能密度达到0.64J/cm3(6kV/mm),储能效率达到85%,是一种有前景的高温储能介质材料。
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