《稀土摻雜鈦酸鍶基陶瓷的介電性能調控及其物理機制》是依託武漢理工大學，由劉韓星擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：稀土摻雜鈦酸鍶基陶瓷的介電性能調控及其物理機制
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：劉韓星
- 依託單位：武漢理工大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
針對脈衝功率小型化、高功率化對儲能電介質高儲能密度、高絕緣性能以及良好穩定性等要求，本項目以稀土摻雜SrTiO3介質陶瓷為對象，分析稀土摻雜對電介質的微觀結構、介電性能的影響，並通過設定不同模型組成、結構剖析影響介電性能的物理機制。圍繞其不同層次結構（晶構、納/微結構、顯微結構等），通過理論分析與實驗測試，嘗試建立稀土摻雜SrTiO3陶瓷不同層次結構與介電常數、耐壓強度等介電性能的關係，探索外場（電場、溫度場）作用下稀土摻雜SrTiO3電介質陶瓷介電性能變化的影響因素和物理機制。通過微觀結構設計（包括納米包覆、核－殼結構等）提高稀土摻雜SrTiO3介質陶瓷的耐壓強度，建立相應的製備方法，獲得綜合性能優良的儲能介質材料。本項目成果對開發新型高性能儲能介質材料有重要指導意義，為脈衝功率技術發展提供重要的材料技術支撐。
結題摘要
針對脈衝功率小型化、高功率化對儲能電介質高儲能密度、高絕緣性能以及良好穩定性等要求，本項目以稀土摻雜SrTiO3介質陶瓷為對象，分析稀土摻雜對電介質的微觀結構、介電性能的影響，並通過調整組成、顯微結構以及燒結氣氛分析影響介電性能的物理機制。通過理論分析與實驗測試，嘗試建立稀土摻雜SrTiO3陶瓷不同層次結構與介電常數、耐壓強度等介電性能的關係，探索外場（電場、溫度場）作用下稀土摻雜SrTiO3電介質陶瓷介電性能變化的影響因素和物理機制。通過結構設計（玻璃包覆等）提高稀土摻雜SrTiO3介質陶瓷的耐壓強度，獲得綜合性能優良的儲能介質材料。本項目成果對開發新型高性能儲能介質材料有重要指導意義，為脈衝功率技術發展提供重要的材料技術支撐。項目共發表論文73篇，授權專利8項，培養碩士4名，博士3名，博士後1名。主要取得以下研究結論： 1. 採用固相法用稀土元素Sm對SrTiO3進行摻雜，氮氣燒結的Sr0.98Sm0.02TiO3，Sr0.97Sm0.02TiO3，Sr0.98Sm0.02Ti0.995O3陶瓷在25°C、1kHz下的介電常數分別為10471、13371和7652，得到巨介電陶瓷，介電損耗在0.01左右，且溫度和頻率的穩定性較好。通過對其介電損耗的介電弛豫現象進行擬合，分析缺陷偶極子對陶瓷產生巨介電現象的機理。 2. 氮氣燒結氣氛下的Ba2+與Sm3+共摻雜的SrTiO3基陶瓷具有巨介電性能，其中x=0.2時，在0-300 °C的溫度範圍內（1 kHz），或者頻率為20 Hz-20 kHz的條件下（50-200 ºC）其介電損耗< 0.05，介電常數> 20000，具有良好的寬溫寬頻的巨介電常數低介電損耗的介電性能。不同燒結氣氛下的BaxSr0.97-xSm0.02TiO3陶瓷的介電弛豫與氧空位與鍶空位的耦合以及界面極化有關。 3. 通過調控稀土Er的摻雜量x製備得到介電常數為2810~7200，介電損耗不超過3.5%的ErxSr1-3x/2TiO3陶瓷體系。隨著HfO2添加量的增加，樣品的擊穿強度由8.40 kV/mm提高至21.55kV/mm，儲能效率由71.22%提高至95.56%；隨著ZnO-B2O3-SiO2玻璃添加量的增加，Er-ST樣品的擊穿強度由16.07 kV/mm提高至25.85 kV/mm，儲能效率由59.89%提高至95.73%。
