反铁电储能材料

论文摘要

本文采用传统的固相反应法合成了几个系列的反铁电材料。首先合成了反铁电态的锆钛酸铅（PZT）;然后以反铁电态的锆钛酸铅（PZT）为基体,以氧化镁和氧化铌为掺杂剂,合成xPMN-（1-x）Pb(Zr0.95Ti0.05)O3（x=0.01,0.02,0.03,0.04）和0.02PMN-0.98Pb(ZrxTi1-x)O3（x=0.99,0.98,0.97,0.96,0.95）两个系列的陶瓷材料;然后以反铁电态的锆钛酸铅（PZT）为基体,以氧化镱为掺杂剂,合成(Pb1-xYbx)ZT（x=0.0067,0.0133,0.0200,0.0267）系列陶瓷材料;最后以氧化镱和氧化铌为掺杂剂,合成0.02Pb(Yb0.5Nb0.5)O3-0.98Pb(ZrxTi1-x)（x=0.99,0.98,0.97,0.96）系列陶瓷材料。加入烧结助剂Bi2O3,显著降低了烧结温度。研究发现当Ti摩尔含量为1%时反铁电PZT的损耗角正切值只有0.003,而绝缘电阻率达到8.5·1013Ω·cm,击穿电场强度超过11KV/mm。氧化镁和氧化铌的加入,降低了材料的居里温度和电阻率,提高了材料的相对介电常数、介电损耗,对击穿电场强度影响不大。氧化镱的加入,降低了材料的居里温度、绝缘电阻率和击穿电场强度,提高了材料的相对介电常数和介电损耗。并且材料获得了很好的温度稳定性,当镱摩尔含量为0.02667时,材料在长达200℃的温度范围内相对介电常数稳定在7000左右。氧化镱和氧化铌的加入,在提高材料相对介电常数的同时,显著降低了介电损耗。组成为0.02Pb(Yb0.5Nb0.5)O3-0.98Pb(Zr0.96Ti0.04)的材料,相对介电常数为245,而损耗只有0.004。研究发现,氧化镱单独掺杂时,镱以Yb2+的状态存在,等价取代Pb2+,氧化镱和氧化铌共同掺杂时,镱以Yb3+的状态存在,Yb3+和Nb5+共同取代Zr4+(Ti4+)。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 反铁电体的研究历史
• 1.2 PZT 基反铁电体的结构与性能
• 1.2.1 反铁电体的自发极化状态
• 1.2.2 反铁电体的电畴结构
• 1.2.3 PZT 基反铁电体的晶体结构
• 1.2.4 反铁电体的宏观电学性能
• 1.3 陶瓷电容器电介质的分类
• 1.4 反铁电陶瓷电容器的主要特征
• 1.5 反铁电电容器电介质的主要性能参数
• 1.5.1 绝缘电阻率
• 1.5.2 反铁电电容器电介质的击穿强度
• 1.6 反铁电陶瓷电介质瓷料的发展趋势
• 1.7 陶瓷的低温烧结
• 1.8 反铁电陶瓷电容器电介质的制造工艺
• 1.8.1 成型工艺
• 1.8.2 烧成工艺
• 1.8.3 机械加工工艺
• 1.8.4 电极工艺
• 1.9 主要研究内容
• 第二章 实验过程及测试手段
• 2.1 原料及设备
• 2.2 工艺流程
• 2.3 研究方法及测试手段
• 2.3.1 体积密度、吸水率和气孔率
• r及损耗角正切值tanδ的测量'>2.3.2 相对介电常ε_r及损耗角正切值tanδ的测量
• 2.3.3 纵向压电应变常数d33 的测量
• 2.3.4 居里温度的测量
• 2.3.5 热释电电流的测量
• 2.3.6 绝缘电阻率的测量
• 2.3.7 击穿电场强度的测量
• 2.3.8 电滞回线的测量
• 2.3.9 扫描电子显微镜分析（SEM）
• 2.3.10 X 射线衍射分析
• 第三章 反铁电PZT 体系储能材料
• 3.1 反铁电PZT 体系合成及烧结温度的确定
• 3.1.1 合成温度的确定
• 3.1.2 烧结温度的确定
• 3.2 反铁电PZT 材料的介电性能
• 3.2.1 反铁电PZT 的介电温谱
• 3.2.2 反铁电PZT 的相对介电常数和介电损耗
• 3.2.3 反铁电PZT 材料的电阻率和击穿强度
• 3.2.4 反铁电PZT 材料的电滞回线
• 3.3 反铁电PZT 的相组成
• 3.4 反铁电PZT 的SEM 图片
• 3.5 本章小结
• 第四章 反铁电PMN－PZT 体系储能材料
• 4.1 反铁电PMN－PZT 的合成以及烧结
• 4.2 PMN－PZT 体系的相组成
• 4.3 PMN 掺杂量对于反铁电PZT 材料性能的影响
• 4.3.1 介电温谱
• 4.3.2 相对介电常数和介电损耗
• 4.3.3 绝缘电阻率以及击穿强度
• 4.4 Ti的含量对于反铁电PMN－PZT 材料性能的影响
• 4.4.1 介电温谱
• 4.4.2 相对介电常数和介电损耗
• 4.4.3 绝缘电阻率和击穿强度
• 4.5 PMN－PZT 体系的微观结构（SEM）
• 4.6 本章小结
• 第五章 Yb 掺杂反铁电PZT 体系储能材料
• 5.1 反铁电PYZT 以及PYN－PZT 的合成与烧结
• 5.2 PYZT 体系材料的性能
• 5.2.1 PYZT 体系的相组成
• 5.2.2 介电温谱
• 5.2.3 PYZT 体系室温介电性能
• 5.3 PYN-PZT 体系材料的性能
• 5.3.1 介电温谱
• 5.3.2 PYN－PZT 体系的室温介电性能
• 5.3.3 PYN－PZT 体系的相组成
• 5.3.4 PYN－PZT 体系的SEM
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 发表论文情况说明
• 致谢