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稀土掺杂钛酸锶基陶瓷的介电性能调控及其物理机制
结题报告
批准号:
51372191
项目类别:
面上项目
资助金额:
80.0 万元
负责人:
刘韩星
依托单位:
学科分类:
E0208.无机非金属能量转换与存储材料
结题年份:
2017
批准年份:
2013
项目状态:
已结题
项目参与者:
尧中华、张文芹、宋喆、胡伟、许琪、叶铖润、徐筱璐
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中文摘要
针对脉冲功率小型化、高功率化对储能电介质高储能密度、高绝缘性能以及良好稳定性等要求,本项目以稀土掺杂SrTiO3介质陶瓷为对象,分析稀土掺杂对电介质的微观结构、介电性能的影响,并通过设定不同模型组成、结构剖析影响介电性能的物理机制。围绕其不同层次结构(晶构、纳/微结构、显微结构等),通过理论分析与实验测试,尝试建立稀土掺杂SrTiO3陶瓷不同层次结构与介电常数、耐压强度等介电性能的关系,探索外场(电场、温度场)作用下稀土掺杂SrTiO3电介质陶瓷介电性能变化的影响因素和物理机制。通过微观结构设计(包括纳米包覆、"核-壳"结构等)提高稀土掺杂SrTiO3介质陶瓷的耐压强度,建立相应的制备方法,获得综合性能优良的储能介质材料。本项目成果对开发新型高性能储能介质材料有重要指导意义,为脉冲功率技术发展提供重要的材料技术支撑。
英文摘要
High energy density,high insulation performance and fine stability dielectrics are being actively investigated to address the needs of miniaturization, high power pulse power component. In this project, rare-earth doped SrTiO3 dielectric materials will be designed and investigated to analysize the influence of rare-doping on the microstructure and dielectric properties of materials. The physical mechanism will be studied by designing the composition and the structure.Theoretical calculations of the intrinsic properties of the materials will be integrated with the experimental synthesis and property characterization in-depth understanding of the relationship between the structure(lattice structure, nano/micro structrue etc) and the dielectric behavior(dielectric constant,breakdown strength etc.).By changing the external field(temperature and electrical),the influence factors and mechanism of dielectric properties of rare earth doped SrTiO3 will be investigated. Improved breakdown strength are expected by microstructure design(nano-coating,core-shell structure etc.).Based on that,processing will be optimized to produce dielectrics with excellent comprehensive performance.The achievement in this project will have significant influence on the high property energy storage dielectrics and supply the effective material support for pulse power technology.
针对脉冲功率小型化、高功率化对储能电介质高储能密度、高绝缘性能以及良好稳定性等要求,本项目以稀土掺杂SrTiO3介质陶瓷为对象,分析稀土掺杂对电介质的微观结构、介电性能的影响,并通过调整组成、显微结构以及烧结气氛分析影响介电性能的物理机制。通过理论分析与实验测试,尝试建立稀土掺杂SrTiO3陶瓷不同层次结构与介电常数、耐压强度等介电性能的关系,探索外场(电场、温度场)作用下稀土掺杂SrTiO3电介质陶瓷介电性能变化的影响因素和物理机制。通过结构设计(玻璃包覆等)提高稀土掺杂SrTiO3介质陶瓷的耐压强度,获得综合性能优良的储能介质材料。本项目成果对开发新型高性能储能介质材料有重要指导意义,为脉冲功率技术发展提供重要的材料技术支撑。项目共发表论文73篇,授权专利8项,培养硕士4名,博士3名,博士后1名。主要取得以下研究结论:.1. 采用固相法用稀土元素Sm对SrTiO3进行掺杂,氮气烧结的Sr0.98Sm0.02TiO3,Sr0.97Sm0.02TiO3,Sr0.98Sm0.02Ti0.995O3陶瓷在25°C、1kHz下的介电常数分别为10471、13371和7652,得到巨介电陶瓷,介电损耗在0.01左右,且温度和频率的稳定性较好。通过对其介电损耗的介电弛豫现象进行拟合,分析缺陷偶极子对陶瓷产生巨介电现象的机理。.2. 氮气烧结气氛下的Ba2+与Sm3+共掺杂的SrTiO3基陶瓷具有巨介电性能,其中x=0.2时,在0-300 °C的温度范围内(1 kHz),或者频率为20 Hz-20 kHz的条件下(50-200 ºC)其介电损耗< 0.05,介电常数> 20000,具有良好的宽温宽频的巨介电常数低介电损耗的介电性能。不同烧结气氛下的BaxSr0.97-xSm0.02TiO3陶瓷的介电弛豫与氧空位与锶空位的耦合以及界面极化有关。.3. 通过调控稀土Er的掺杂量x制备得到介电常数为2810~7200,介电损耗不超过3.5%的ErxSr1-3x/2TiO3陶瓷体系。随着HfO2添加量的增加,样品的击穿强度由8.40 kV/mm提高至21.55kV/mm,储能效率由71.22%提高至95.56%;随着ZnO-B2O3-SiO2玻璃添加量的增加,Er-ST样品的击穿强度由16.07 kV/mm提高至25.85 kV/mm,储能效率由59.89%提高至95.73%。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
DOI:10.1007/s10854-016-4541-2
发表时间:2016-02
期刊:Journal of Materials Science: Materials in Electronics
影响因子:--
作者:Su Cong;Hao Hua;Xu Qi;Lu Yangyang;Appiah Millicent;Diao Chunli;Cao Minghe;Yao Zhonghua;Liu Hanxing
通讯作者:Liu Hanxing
Effect of grain size on the energy storage properties of (Ba0.4Sr0.6)TiO3 paraelectric ceramics
晶粒尺寸对(Ba0.4Sr0.6)TiO3顺电陶瓷储能性能的影响
DOI:10.1016/j.jeurceramsoc.2013.11.039
发表时间:2014
期刊:Journal of the European Ceramic Society
影响因子:5.7
作者:Song Zhe;Liu Hanxing;Zhang Shujun;Wang Zhijian;Shi Yatong;Hao Hua;Cao Minghe;Yao Zhonghua;Yu Zhiyong
通讯作者:Yu Zhiyong
Structure and ionic conductivity of cubic Li7La3Zr2O12 solid electrolyte prepared by chemical co-precipitation method
化学共沉淀法制备立方Li7La3Zr2O12固体电解质的结构和离子电导率
DOI:10.1016/j.ssi.2016.01.042
发表时间:2016-04
期刊:Solid State Ionics
影响因子:3.2
作者:Shao Chongyang;Liu Hanxing;Yu Zhiyong;Zheng Zhenning;Sun Nian;Diao Chunli
通讯作者:Diao Chunli
DOI:10.1111/jace.14994
发表时间:2017
期刊:JOURNAL OF THE AMERICAN CERAMIC SOCIETY
影响因子:3.9
作者:Zhang Lin;Hao Hua;Zhang Shujun;Lanagan Michael T.;Yao Zhonghua;Xu Qi;Xie Juan;Zhou Jing;Cao Minghe;Liu Hanxing
通讯作者:Liu Hanxing
Microstructure and dielectric characteristics of Nb2O5 doped BaTiO3-Bi(Zn1/2Ti1/2)O-3 ceramics for capacitor applications
电容器用 Nb2O5 掺杂 BaTiO3-Bi(Zn1/2Ti1/2)O-3 陶瓷的微观结构和介电特性
DOI:10.1016/j.jeurceramsoc.2016.08.003
发表时间:2017
期刊:JOURNAL OF THE EUROPEAN CERAMIC SOCIETY
影响因子:5.7
作者:Lu Yangyang;Hao Hua;Zhang Shujun;Liu Hanxing;Su Cong;Yao Zhonghua;Cao Minghe
通讯作者:Cao Minghe
钙钛矿型储能电介质的多层次结构设计与新材料探索
  • 批准号:
    50932004
  • 项目类别:
    重点项目
  • 资助金额:
    220.0万元
  • 批准年份:
    2009
  • 负责人:
    刘韩星
  • 依托单位:
高密度储能电介质陶瓷的结构调控、介电性能与击穿机制研究
  • 批准号:
    50872102
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    38.0万元
  • 批准年份:
    2008
  • 负责人:
    刘韩星
  • 依托单位:
类钙钛矿结构对材料介电特性影响的机理研究
  • 批准号:
    50472016
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    30.0万元
  • 批准年份:
    2004
  • 负责人:
    刘韩星
  • 依托单位:
锂插层氧化物在微波场中的固相反应机理研究
  • 批准号:
    20371038
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    27.0万元
  • 批准年份:
    2003
  • 负责人:
    刘韩星
  • 依托单位:
类钙钛矿结构有机—无机分子组装材料的电子学特性研究
  • 批准号:
    90206047
  • 项目类别:
    重大研究计划
  • 资助金额:
    80.0万元
  • 批准年份:
    2002
  • 负责人:
    刘韩星
  • 依托单位:
锂离子电池电极材料性能可控制性研究
  • 批准号:
    59972026
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    15.0万元
  • 批准年份:
    1999
  • 负责人:
    刘韩星
  • 依托单位:
微波合成钙钛矿铁电陶磁的界面偏析.化学键和性能研究
  • 批准号:
    59602005
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    12.0万元
  • 批准年份:
    1996
  • 负责人:
    刘韩星
  • 依托单位:
国内基金
海外基金