CaCu3Ti4O12陶瓷介電性能-缺陷結構關聯的研究

CaCu3Ti4O12陶瓷介電性能-缺陷結構關聯的研究

《CaCu3Ti4O12陶瓷介電性能-缺陷結構關聯的研究》是依託西安交通大學,由李建英擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

  • 中文名:CaCu3Ti4O12陶瓷介電性能-缺陷結構關聯的研究
  • 項目類別:面上項目
  • 項目負責人:李建英
  • 依託單位:西安交通大學
項目摘要,結題摘要,

項目摘要

高儲能密度電容器廣泛套用於現代工業和軍事技術,新型介質材料的研發是發展高儲能密度電容器的基礎。CaCu3Ti4O12陶瓷具有高的介電常數,但高介電損耗和低擊穿場強限制了其在高儲能領域的套用。本項目通過摻雜添加劑和熱處理等方法,對其顯微結構和缺陷結構進行調控,研究提高其擊穿場強和降低介電損耗的方法與技術。利用寬頻介電譜儀、熱刺激電流測量等手段,通過試樣製備、介電特性、顯微結構等的分析,系統研究CaCu3Ti4O12陶瓷介電性能與顯微結構和缺陷結構的關聯,特別注意晶界結構、陷阱狀態和缺陷結構隨製備過程、顯微結構的關係。通過本研究,建立起一套用於識別和表征CaCu3Ti4O12陶瓷缺陷結構的方法,弄清添加劑摻雜行為和熱處理對介電性能、缺陷結構的作用規律與機理,為提高CaCu3Ti4O12陶瓷的擊穿場強、拓展其在高儲能密度領域的套用提供實驗依據和理論基礎。

結題摘要

本項目研究了CaCu3Ti4O12陶瓷的電性能和顯微結構隨燒結條件的變化規律,證明了晶界處Schottky勢壘構成的內部阻擋層電容(IBLC)模型對解釋CCTO陶瓷壓敏和巨介電性能的適用性。介電鬆弛分析表明CaCu3Ti4O12陶瓷中存在著四個缺陷鬆弛峰,其中低溫的兩個鬆弛峰的活化能級不受燒結時間的影響,分別約為0.11eV和0.51eV,對應CaCu3Ti4O12晶粒內的本徵缺陷;隨著測試溫度升高出現能級為0.66eV和1.12eV的缺陷鬆弛過程,分別對應晶界缺陷和氧空位遷移缺陷。其中直流老化後氧空位遷移活化能從1.12 eV下降到約0.70 eV,認為電性能穩定性與氧空位遷移過程密切相關,且決定了高溫下CaCu3Ti4O12陶瓷的直流穩定性。 通過液相分散法在CaCu3Ti4O12粉體表面沉澱Al3+,在高溫燒結過程中通過原位反應引入尖晶石型CuAl2O4第二相,使CCTO陶瓷的擊穿場強從1.0-2.0 kV/cm上升到21 kV/cm,同時伴有低頻端平穩且較低的介電損耗,表現出優異的儲能性能。通過混合固相法製備的CaCu3Ti4O12和Y2/3Cu3Ti4O12粉體,燒結製備了兩相晶粒相容性較好、晶粒尺寸均勻的雙鈣鈦礦結構復相陶瓷,並形成CaCu3Ti4O12/Y2/3Cu3Ti4O12異相界面,使非線性係數上升到9.88,而介電損耗僅為0.02,有望套用於電子元件中的過電壓防護。研究了原料合成工藝對CaCu3Ti4O12陶瓷缺陷結構和介電性能的影響,簡化了製備CaCu3Ti4O12陶瓷粉體的共沉澱法,獲得了純度高、粒徑均勻、團聚較少的CaCu3Ti4O12粉體,從而延緩了保溫過程中液相燒結的出現、並抑制了氧空位的產生,獲得了介電損耗低至0.04的CaCu3Ti4O12陶瓷樣品。 研究了CaCu3Ti4O12陶瓷中顯微結構及缺陷的不均勻性分布特徵和相不穩定對介電性能的影響。通過燒結和打磨製備不同厚度的CaCu3Ti4O12陶瓷樣品,發現CaCu3Ti4O12陶瓷介電性能都表現出幾何效應,磨薄樣品的擊穿場強和晶界阻抗隨著厚度減小而降低,低頻介電常數和損耗隨厚度減小而下降。幾何效應可以歸因於高溫燒結過程中富Cu相析出會引發液相燒結導致其顯微結構不均勻,和降溫過程中的沿晶界的氧不均勻擴散導致了晶界缺陷分布不均勻。

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