摻雜對鈦酸鍶陶瓷介電性能的影響及其機制分析.pdf

1、隨著脈沖功率系統(tǒng)減小尺寸和減輕重量需求的增長，高儲能密度固態(tài)電介質(zhì)材料成為一個氶待解決的主要技術(shù)問題。電介質(zhì)材料要具有高儲能密度，必須具有較高的介電常數(shù)和較高的擊穿強度。同時，儲能介質(zhì)具有較高的介電常數(shù)是脈沖功率系統(tǒng)小型化的前提，而儲能介質(zhì)具有較高的擊穿強度是脈沖功率系統(tǒng)高壓下應(yīng)用的基本要求。因此，為制備出使脈沖功率系統(tǒng)小型化且符合高壓脈沖形成線要求的固態(tài)儲能介質(zhì)，本文選擇具有相對較高介電常數(shù)和較高擊穿強度的SrTiO3基陶瓷作為研究對

2、象，對其進行等價摻雜，以期獲得具有更高擊穿強度的高儲能密度SrTiO3基陶瓷。利用X射線衍射（XRD）、電子能譜（EDS）、掃描電鏡（SEM）和交流阻抗等測試技術(shù)，研究了 Mg、Ca、Zr等價摻雜SrTiO3基陶瓷的制備、介電性能和儲能性能，探討了等價摻雜SrTiO3基陶瓷高溫弛豫和電導。
　　本研究以離子半徑較小的Mg2+摻雜SrTiO3的A位，用固相法制備了A位Mg摻雜SrTiO3陶瓷，即Sr1-xMgxTiO3陶瓷。當x≤0

3、.020mol時，Mg摻雜A位；當x=0.040mol時，部分進入A位，還有部分進入B位，生成了MgTiO3雜相。Mg摻雜使得SrTiO3陶瓷晶粒尺寸減小，正負離子間的作用力增強，擊穿強度提高，而介電常數(shù)變化很小。室溫下，Mg摻雜SrTiO3陶瓷具有良好的介頻穩(wěn)定性和低介電損耗，在20Hz-2MHz范圍的介電損耗都小于0.006。Sr0.99Mg0.01TiO3陶瓷具有最大儲能密度，其在362kV/cm場強下的放電儲能密度為1.86J/

4、cm3，是本實驗中純SrTiO3陶瓷儲能密度值（1.44J/cm3）的1.29倍，是文獻中報道的純SrTiO3的儲能密度值（0.7J/cm3）的2.66倍，儲能效率高于70％。為了進一步提高Sr0.99Mg0.01TiO3陶瓷的擊穿強度和儲能密度，用Zr摻雜Sr0.99Mg0.01TiO3陶瓷的B位。然而，Zr摻雜不利于Sr0.99Mg0.01TiO3陶瓷燒結(jié)，晶粒尺寸異常長大，導致?lián)舸┙档?，因而儲能密度也減小。CaTiO3和SrTiO

5、3都是鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，且Ca2+半徑比Mg2+大，但比Sr2+小，因此，A位Ca摻雜SrTiO3陶瓷可能具有比Sr1-xMgxTiO3陶瓷更好的儲能性能。Ca摻雜也使得SrTiO3陶瓷正負離子間的作用力增強，擊穿強度提高，而介電常數(shù)稍增大。室溫下，Sr1-x′Cax′TiO3陶瓷也具有良好的頻率穩(wěn)定性和低介電損耗，在100Hz-2MHz頻率范圍介電損耗都小于0.006。Sr0.98Ca0.02TiO3陶瓷具有最大儲能密度，在333kV/cm

6、場強下的放電儲能密度為1.95 J/cm3，是本實驗中純SrTiO3陶瓷的1.35倍，是文獻中純SrTiO3陶瓷的2.79倍，儲能效率大于72%。Zr4+能穩(wěn)定鈦酸鹽中的 Ti4+的價態(tài)，且能減小漏電流。因此，用Zr摻雜Sr0.98Ca0.02TiO3陶瓷的B位，期望進一步提高Sr0.98Ca0.02TiO3陶瓷的擊穿強度和儲能密度。少量的 Zr摻雜反而降低了Sr0.98Ca0.02TiO3陶瓷的燒結(jié)溫度，Sr0.98Ca0.02Ti0

7、.98Zr0.02O3陶瓷的最佳燒結(jié)溫度從Sr0.98Ca0.02TiO3陶瓷的1380℃降為1320℃。XRD、SEM和EDS分析發(fā)現(xiàn)，Zr除部分摻雜進入Sr0.98Ca0.02TiO3陶瓷形成鈣鈦礦主晶相外，還存在富含Zr、O的橢圓形晶粒相。Sr0.98Ca0.02Ti(1-y′)Zry′O3陶瓷具有良好的頻率穩(wěn)定性，低介電損耗，在100Hz-2MHz頻率范圍介電損耗小于0.008。Sr0.98Ca0.02Ti(1-y′)Zry′O

8、3陶瓷的儲能效率都大于72%，且高場強下Zr摻雜 Sr0.98Ca0.02TiO3陶瓷的儲能效率高于 Sr0.98Ca0.02TiO3陶瓷。B位 Zr摻雜Sr0.98Ca0.02TiO3陶瓷隨著Zr摻雜量的增加，介電常數(shù)稍減小。Sr0.98Ca0.02Ti0.98Zr0.02O3陶瓷具有最大儲能密度，在419kV/cm場強下的放電儲能密度可達2.77J/cm3，是沒有Zr摻雜的Sr0.98Ca0.02TiO3陶瓷的1.42倍，是本實驗中

9、純 SrTiO3陶瓷的1.92倍，是文獻中純 SrTiO3陶瓷的3.96倍。因此， Sr0.98Ca0.02Ti0.98Zr0.02O3陶瓷最有希望用作脈沖形成線的儲能介質(zhì)。
　　本文研究了A位、B位等價摻雜 SrTiO3基陶瓷的高溫弛豫和電導。研究發(fā)現(xiàn)， Sr1-xMgxTiO3陶瓷和Sr1-x′Cax′TiO3陶瓷高溫弛豫都是由熱激活的氧空位短程運動引起的，高溫下的電導是熱激活的氧空位的長程運動。B位 Zr摻雜Sr0.99Mg