采用固相反应烧结方法制备了Sm掺杂的[(Na_0.5Bi_0.5)_0.93Ba_0.07]_1-xSm_xTiO₃(BNBST)无铅介电储能陶瓷, 系统研究了Sm掺杂含量对BNBST陶瓷的相结构、微观结构、铁电、介电、储能和交、直流电导的影响。研究结果表明: 制备的陶瓷样品具有单一的钙钛矿结构, Sm掺杂固溶于(Na_0.5Bi_0.5)_0.93Ba_0.07TiO₃基材的晶格A位; 晶粒生长被Sm掺杂抑制, 平均晶粒尺寸在2 μm内, 且均匀致密; Sm掺杂显著降低了剩余极化和矫顽场, 表现出双电滞回线特性, 但饱和极化也略有降低; 储能密度和效率随Sm掺杂量增加先增大后减小, 在x=0.02和电场为70 kV/cm时获得最大储能密度0.70 J/cm³, 其效率为40%; BNBST陶瓷具有明显的弛豫铁电体特征, 其介电常数峰T_m随掺杂量增加而降低且平坦化; BNBST陶瓷的绝缘性有较强的温度依赖性, 300℃以下具有良好的绝缘性。

相对于聚合物等储能介质材料, 介电陶瓷具有温度稳定性好和循环寿命长的优点, 是制备脉冲功率储能电容器的优秀候选材料。但目前介电陶瓷的储能密度相对较低, 不能满足脉冲功率设备小型化的要求。因此, 如何显著提高介电陶瓷的储能密度成为近年来功能陶瓷研究的热点之一。本文首先介绍了介电储能电容器对陶瓷材料性能的要求, 然后结合本课题组的研究工作, 评述了BaTiO₃基、BiFeO₃基、(K_0.5Na_0.5)NbO₃基无铅弛豫铁电陶瓷和 (Bi_0.5Na_0.5)TiO₃基、AgNbO₃基无铅反铁电陶瓷储能特性的研究现状, 重点阐述了不同材料体系的组分设计思路及相关储能特性, 分析了无铅非线性介电储能陶瓷所面临的机遇和挑战, 指出了应对策略。最后, 展望了下一步的研究方向和内容。

采用两步水热法合成钛酸钡(BaTiO₃)纳米线, 并以此为填充物, 聚偏氟乙烯六氟丙烯(P(VDF-HFP))为聚合物基体制备介电复合物, 研究不同含量BaTiO₃纳米线对复合物的介电及储能性能的影响。采用X射线衍射仪、扫描电镜、透射电镜、阻抗分析仪和铁电工作站等表征BaTiO₃纳米线及其复合物的物相、微观结构、介电和储能性能。结果表明: BaTiO₃纳米线具有典型的四方相, 且在聚合物基体中具有良好的分散性与相容性。相同频率下, 复合物的介电常数随着BaTiO₃纳米线含量的增加而增加。含量为20vol%的复合物, 在1 kHz频率下其介电常数取得最 大值30.69。含量为5vol%的复合物, 在场强为240 kV/mm时, 获得了最大的储能密度与放电能量密度, 分别为4.89和2.58 J/cm³。

本研究采用BiScO₃组分对固相烧结工艺制备的(1-x)(Bi_0.5Na_0.5)_0.935Ba_0.065TiO₃-xBiScO₃(BNBT-xBS)无铅陶瓷进行改性, 考察了BiScO₃掺杂含量对陶瓷的微观结构、储能、场致应变和介电等性能的影响。结果表明: 随着BiScO₃掺杂含量的增加, BNBT-xBS陶瓷的相结构由三方相与四方相共存演变为伪立方相, 无杂相形成, 且平均晶粒尺寸略有增大; BiScO₃组分的引入破坏了BNBT陶瓷铁电畴的长程有序, 表现出弱极化, 且伴随有铁电相到弛豫铁电相的相变过程。BiScO₃组分提高了储能和应变性能, 在70 kV/cm电场下其最大储能密度为0.46 J/cm³, 电致应变达到0.25%。介电常数随着掺杂含量的增加逐渐降低, 其介电行为也表明陶瓷具有弛豫铁电体特征; BNBT-xBS陶瓷表现出负温度系数效应, 且在450℃以下具有较好的绝缘性。

高介电复合材料是近年来受到广泛关注的一种材料, 可用于嵌入式电容器及储能器件。本研究使用钛醇盐水解法在室温下制备全包裹Ag@TiO₂颗粒, 对该颗粒填充的复合材料进行漏电流、介电和储能性能表征, 并对其介电机理进行探讨。扫描电子显微镜和能谱结果显示Ag@TiO₂颗粒具有球形的全包裹核壳结构, 壳层厚度大约为400 nm。X射线衍射结果验证了Ag@TiO₂颗粒具有完整的物相。Ag@TiO₂填充的聚二甲基硅氧烷复合材料表现出小的漏电流(10 ^-8A/cm ²)、较大的介电系数(108)、低的介电损耗(0.2%)和较大的储能密度(8.58×10 ^-3J/cm ³)。有效场和Maxwell相结合的理论模型与实验数据对比验证, 推测界面极化作用提高了复合材料的等效介电系数。该颗粒填充的复合材料在嵌入式电容器方面具有潜在的应用价值。