CaCu3Ti4O12陶瓷直流電導的調控和擊穿強度的提高

《CaCu3Ti4O12陶瓷直流電導的調控和擊穿強度的提高》是依託西安交通大學，由李盛濤擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：CaCu3Ti4O12陶瓷直流電導的調控和擊穿強度的提高
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：李盛濤
• 依託單位：西安交通大學

中文摘要

航空、軍事、工業等多個領域都需要高電能存儲系統，高儲能密度電容器的研製是其技術瓶頸。CaCu3Ti4O12陶瓷雖然具有相當高的介電常數（1萬~10萬），但其擊穿強度低，介質損耗和直流電導較大,且電導呈非線性，極大地限制了它用作高儲能密度電容器材料。聚集在晶界處的半導電CuO影響著CaCu3Ti4O12陶瓷顯微結構和缺陷結構，它們是影響直流電導與擊穿強度的關鍵因素。本項目首先採用共沉澱法製備CaCu3Ti4O12陶瓷，以改善陶瓷燒結特性和緻密性，並通過改變CuO的添加量，對陶瓷的顯微結構和缺陷結構進行調控，研究顯微結構和缺陷結構對直流電導和擊穿強度的影響規律和機制；套用摻雜改性、加入玻璃相等技術途徑，對顯微結構和缺陷結構進行精細的控制，進一步提高CaCu3Ti4O12陶瓷擊穿強度，降低其介質損耗和電導，為CaCu3Ti4O12陶瓷做為高儲能密度電容器材料提供理論依據和技術途徑。

結題摘要

CaCu3Ti4O12（CCTO）陶瓷雖具有相當高的介電常數（＞104）, 可用作高儲能密度電容器材料，但其擊穿強度低，介質損耗和直流電導較大,限制了它的套用。本項目通過改進合成工藝，套用摻雜改性、加入玻璃相等技術途徑，對陶瓷的顯微結構和缺陷結構進行調控，研究顯微結構和缺陷結構對直流電導和擊穿強度的影響規律和機制；通過介電譜對CCTO的鬆弛過程進行表征，並分析了其不同頻率範圍的鬆弛機制；為CCTO陶瓷做為高儲能密度電容器材料提供理論依據和技術途徑。首先，採用共沉澱法製備CCTO陶瓷，以改善陶瓷燒結特性和緻密性；細化合成工藝參數（例如確定反應溶液最佳pH值），使製備過程重複可控；且製得的陶瓷性能良好，性能具有較好的可重複性；在室溫下，頻率為1kHz 時，介電常數為1.4×104，介電損耗為0.037；提高了壓敏電壓和非線性指數。在充分研究CCTO陶瓷微觀特性的基礎上，在一定溫度範圍內通過測量I-V特性分析了CCTO的直流電導特性，發現CuO晶粒在陶瓷晶界區的存在並對直流電導起到重要作用。其次，通過Al2O3及玻璃相（B2O3、Bi2O5）摻雜改性CCTO陶瓷的性能。研究發現，一定濃度的 Al3+作為受主摻雜替代部分Ti4+，降低了載流子濃度，並在一定程度上增加晶粒電阻，從而降低了低頻範圍因直流電導引起的介電損耗，並增加了擊穿場強。適量的玻璃相摻雜有利於潤濕晶界，增加陶瓷的緻密度，提高擊穿強度；而且玻璃相也可以在晶界處沉積，增大晶界處的電阻，降低CCTO的低頻介電損耗，改善CCTO的電性能。最後，由於CCTO介電損耗較大且損耗機理尚不明確因而限制了其套用，所以本項目以傳統固相法和改進後的共沉澱法製備的樣品為研究對象，利用寬頻介電溫譜研究了在交流小信號作用下雙Schottky勢壘耗盡層邊緣深陷阱的電子鬆弛過程，載流子鬆弛過程以及CCTO陶瓷的介電損耗性能。研究發現，在低頻下以跳躍電導和直流電導的回響為主，而高頻下主要為深陷阱能級的鬆弛過程所致，特別是活化能為0.12eV的深陷阱濃度，這是決定CCTO陶瓷高頻區介電損耗的重要因素。降低直流電導，有利於降低低頻區介電損耗；而高頻區介電損耗的降低，需要降低深陷阱濃度或增大晶粒尺寸。共沉澱法製備的CCTO陶瓷，可有效降低直流電導及控制深陷阱濃度，介電損耗降低明顯。