玻璃改性钛酸锶钡陶瓷高温强场下的界面结合、电击穿行为及储能特性研究

Barium strontium titanate (BaxSr1-xTiO3, BST) ceramics have been a hot research topic for solid state energy storage materials. How to improve the dielectric properties at high temperature is the key to expand their applications in the field of compact pulsed power technology. This project intends to use glass to modify the BST ceramics, and study the influence of glass composition on the phase structure, microstructure and electrical properties of the ceramics. To build the co-relationship among glass composition, structure and electrical properties, a glass modified BST ceramic system with excellent dielectric properties at high temperature is obtained. The interface bonding and fatigue behavior between grain boundary glass phase and grain ceramic phase of glass modified BST ceramics is investigated under high temperature and cycled strong electric field conditions, in order to in-depth analyze the effective mechanism of such interface fatigue on the polarization and electrical breakdown behavior of the ceramics, then find a way to improve the energy storage characteristics of the glass modified BST ceramics under high temperature and strong electric field by controlling the composition and structure. This project can provide important scientific basis and theoretical guidance to expand the application of glass modified BST ceramics in the field of high temperature solid state energy storage dielectrics, and promote the research of key energy storage materials in compact pulsed power systems.

钛酸锶钡(BaxSr1-xTiO3，BST)陶瓷是固态储能介质材料研究的热点之一，如何改善其高温下的介电性能是拓展其在紧凑型脉冲功率领域应用的关键。本项目拟采用玻璃对BST陶瓷进行改性，研究优化玻璃组成对陶瓷相结构、微观结构和电性能的影响规律，以期建立玻璃组成、陶瓷结构和电性能三者之间的关联性，制备出高温介电性能优良的玻璃改性BST陶瓷体系。探讨在高温条件下玻璃改性BST陶瓷经强场循环作用后其晶界玻璃相和晶粒陶瓷相之间的界面结合及疲劳行为，进而深入分析这种界面疲劳对陶瓷电极化和电击穿行为的影响机制，找到通过组成优化和结构调控来提高玻璃改性BST陶瓷高温强场下储能特性的有效途径。本研究可望为拓展玻璃改性BST陶瓷在高温固态储能介质领域的应用提供重要的科学依据和理论指导，促进脉冲功率系统紧凑化、高功率化关键储能介质材料的发展。

钛酸锶钡（BaxSr1-xTiO3，BST）陶瓷是固态储能介质材料研究的热点之一，改善其高温下的介电性能有利于拓展其在紧凑型脉冲功率领域的应用。本项目围绕BST陶瓷的玻璃改性和弛豫型固溶体构建展开研究，重点关注其在高温强场作用下的储能特性增强及其相关机制，主要包括：（1）自主设计并优化了一种玻璃对BST（x=0.3和0.4）进行改性，可将BST陶瓷200℃下的介电损耗从>20%降低至<3%，将其作为高压储能陶瓷电容器应用拓展至高温领域，并从玻璃相的亚稳态析晶角度解释了陶瓷综合性能提升的原因。（2）以更加适合于脉冲功率应用的Ba0.3Sr0.7TiO3（BST）与铁电性能优异的Bi0.5Na0.5TiO3（BNT）构建固溶体，系统研究了BNT-BST体系的相结构演变及介电、铁电性能，获得了兼顾高介电常数（εr>6000 @Tm）、高饱和极化强度（Ps>30μC/cm2）及可调剩余极化强度Pr的无铅弛豫铁电陶瓷。（3）选取(Ba0.3Sr0.7)0.35(Bi0.5Na0.5)0.65TiO3为基础体系，分别采用添加NaNbO3（NN）和B位（Nb2/3Mg1/3）4+复合离子改性等方式进行极化行为优化，获得了储能密度和效率的协同提升，显著改善了其作为脉冲功率电容器应用的实际充放电特性。（4）在BNT-BST体系中探索了A位空位缺陷对陶瓷电极化行为和储能特性的影响，显著改善了陶瓷高温区（~400℃）的介电温度稳定性，为制作中高压高温型脉冲功率电容器提供了性能优异的候选材料。本项目共发表第一标注论文12篇，其中SCI收录10篇，很好地完成了原定SCI和EI收录论文4篇以上的研究目标，特别是发表了材料科学1区TOP期刊论文3篇（含特邀综述1篇）、中国科技期刊卓越行动计划入选期刊论文5篇，高质量地完成了原计划成果目标。项目负责人在本领域国际国内学术会议就电介质储能陶瓷研究作大会报告1次，特邀报告4次，担任国际、国内学术会议学术委员会委员各1次，领导组织了第十一届亚洲陶瓷材料研讨会，受聘SCI期刊“Journal of Advanced Ceramics”编委、核心期刊“陶瓷学报”编委，荣获2018波兰陶瓷学会奖，入选江西省青年井冈学者奖励计划及景德镇市专业技术拔尖人才。本项目培养已毕业硕士研究生3名，目前在读硕士研究生4名。

内容获取失败，请点击重试