儲(chǔ)能用鐵電介質(zhì)材料

2021年01月04日 13:16:30人氣：2580來源：北京華測(cè)試驗(yàn)儀器有限公司

　　作為脈沖功率技術(shù)設(shè)備主體部分的高功率脈沖電源，為脈沖功率裝置的負(fù)載提供電磁能量，主要由初級(jí)能源、能量儲(chǔ)存系統(tǒng)、能量轉(zhuǎn)換和釋放系統(tǒng)組成。目前，主要有機(jī)械能儲(chǔ)能、電容器儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能3種方式用于脈沖功率技術(shù)的能量儲(chǔ)存。相對(duì)于其它儲(chǔ)能器件，電容器儲(chǔ)能因?yàn)榫哂袃?chǔ)能密度高、能量釋放速度快、可靠性高、安全性高、價(jià)格低廉以及較易實(shí)現(xiàn)輕量化和小型化等優(yōu)點(diǎn)，因此成為目前高功率脈沖電源中應(yīng)用廣的儲(chǔ)能器件之一。

　　根據(jù)介質(zhì)材料極化強(qiáng)度隨外場的變化規(guī)律，可以將儲(chǔ)能材料分為3大類:線性介質(zhì)、鐵電介質(zhì)和反鐵電介質(zhì)。這3類介質(zhì)材料的儲(chǔ)能原理和儲(chǔ)能密度(D-E，ε-E曲線)如圖2a～c所示。

BaTiO3基陶瓷

　　以BaTiO3陶瓷為代表的鐵電體具有較高的介電常數(shù)，是制造鐵電陶瓷電容器的基礎(chǔ)材料，也是目前外應(yīng)用廣泛的電子陶瓷材料之一。在介電層厚度確定的情況下，材料的介電常數(shù)越高，電容器的比電容越大，越易于實(shí)現(xiàn)器件的小型化。許多研究結(jié)果表明，摻雜可以改善BaTiO3陶瓷的介電性能從而更有利于儲(chǔ)能

　　電容器應(yīng)用，可以摻雜的元素離子包括Nd3+，Ca2+，Sr2+，La3+，Sn4+，Zr4+，Mg2+，Co3+，Nb5+，Mn4+和稀土離子的摻雜。表2為常用的高介電穩(wěn)定性BaTiO3鐵電陶瓷系統(tǒng)材料的配方，添加物種類及其測(cè)試的性能。

　　Ba(Ti1-xZrx)O3(BTZ)是BaTiO3基多層陶瓷電容器重要的材料體系之一。BaTiO3的高介電常數(shù)隨著Zr的引入得到進(jìn)一步提高，且溫度穩(wěn)定性也得到進(jìn)一步改善，達(dá)到了Z5U的標(biāo)準(zhǔn)。研究表明，在Mn摻雜的BZT中，要改善其介電老化性能需要盡可能提高退火過程中的氧分壓。近報(bào)導(dǎo)了一種具有良好溫度穩(wěn)定性的高介電常數(shù)、高電阻率的BaTiO3-0.3BiScO3陶瓷材料。用該陶瓷制作的單介電層電容器室溫73kV/mm時(shí)的儲(chǔ)能密度達(dá)到6.1J/cm3，這顯著高于X7R商用電容器的相應(yīng)性能。并且，該電容器在300℃仍保持高儲(chǔ)能密度，從而具有高儲(chǔ)能密度高溫電容器的應(yīng)用潛力。

　　SrTiO3基陶瓷

　　SrTiO3基陶瓷具有高介電常數(shù)，低介電損耗和穩(wěn)定的溫度、頻率和電壓特性，是用于制備大容量陶瓷晶界層電容器的理想材料。Yamaoka等研制出的系列陶瓷不僅具有優(yōu)良的介電性能和顯著的伏安非線性特性，而且具有吸收1000～3000A/cm2這樣較高電涌的能力，所以該材料兼有大容量電容器和壓敏電阻器的功能。SBBT陶瓷屬于SrTiO3系，是在SrTiO3-m(Bi2O3·nTiO2)系(簡稱SBT)陶瓷的基礎(chǔ)上加入BaTiO3等燒制而成的，具有介電常數(shù)大，介質(zhì)損耗小，擊穿場強(qiáng)高的特點(diǎn)。

　　TiO2陶瓷

　　TiO2陶瓷具有高的耐擊穿強(qiáng)度(～350kV/cm)和較高介電常數(shù)(～110)，從而具有可觀的儲(chǔ)能密度。研究表明，納米晶TiO2陶瓷比粗晶制備的TiO2陶瓷具有更高的耐擊穿強(qiáng)度(*高可達(dá)2200kV/cm)。

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