陶瓷织构化调控NaNbO3基反铁电体的击穿与极化行为及其储能特性优化
批准号:
52072080
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
罗能能
依托单位:
学科分类:
功能陶瓷
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
罗能能
中文摘要
小型化和轻量化是储能电介质电容器的发展趋势,因此开发具有高储能密度的新型电介质材料成为近年关注的焦点。目前,电介质储能材料面临的最大挑战是低的储能密度,而难以同时获得高的击穿强度和极化强度是瓶颈所在。针对上述问题,本项目提出以NaNbO3(NN)基反铁电体为模型体系,研究陶瓷织构化对击穿行为、极化行为和储能密度的影响规律。首先通过掺杂改性提高NN基陶瓷的反铁电稳定性;然后通过陶瓷织构化和界面工程调控“砖块状”晶粒的形貌,以及陶瓷界面特性和缺陷分布;进一步通过取向工程研究织构陶瓷的电击穿行为和反铁电—铁电相变行为,阐明织构陶瓷的击穿机制和极化强度的影响机制;最后对织构陶瓷的储能特性进行评估和优化。通过上述研究,构建反铁电织构陶瓷的击穿强度和极化强度的协同提升模型和方法,为高性能电介质材料的开发提供科学依据和指导。
英文摘要
Miniaturization and lightweight are the trends of dielectric capacitors, which arouse the focus on developing novel dielectric materials with high energy storage density. At present, the state-of-the-art dielectric materials are facing the challenge of low energy storage density, due to the difficulty to simultaneously achieve high breakdown strength and polarization. In view of the above problems, the NaNbO3 (NN) will be selected as the research objects and models in this project, to study he effect of ceramic texturing on breakdown/polarization behavior and energy storage density. Firstly, the antiferroelectric stability of NN-based ceramics will be improved by delicately doping; then, the morphology of "brick like" grains, the interface characteristics and defect distribution will be regulated by ceramic texturing and interface engineering; furthermore, the breakdown behavior and antiferroelectric-ferroelectric (AFE-FE) phase transition behavior of textured ceramics will be study through orientation engineering, to elucidate the mechanism of breakdown and improved polarization of textured ceramics; finally, the energy storage performance will be evaluated and optimized. Through the above research, new model and method of synergistically improving the breakdown strength and polarization of antiferroelectric ceramics will be established, which may provide a good paradigm for developing new high-performance dielectric materials.
反铁电体因其特殊的电场诱导反铁电-铁电相变,在电介质储能领域具有重要应用。NaNbO3陶瓷因难以获得可逆的反铁电-铁电相变,且击穿强度和极化强度较低,导致其储能性能受限。本项目主要围绕NaNbO3基陶瓷的反铁电相的稳定性和储能密度提升,高取向度织构陶瓷的制备及晶粒生长动力学研究,取向工程对织构陶瓷储能特性的优化等方面展开,取得了如下研究成果。.(1)高稳定性NaNbO3反铁电相的设计及储能性能提升。提出降低容差因子、电负性差值、离子极化率等提高反铁电相的稳定性的设计思路,设计和制备了(1-x-y)NaNbO3-xAgNbO3-yCaHfO3和(AgxNa1-x)(Nb1-yTay)O3等系列反铁电陶瓷,实现了可逆反铁电-铁电相变,获得了双电滞回线,并揭示了反铁电相的稳定性增强的机理:降低阳离子位移和BO6八面体扭转角。在此基础上,提出构建两相共存实现弛豫反铁电特性的思路,设计并制备了Bi(Mg2/3Nb1/3)O3和CaTiO3改性的NaNbO3反铁电体系,陶瓷储能密度和效率分别提高到5.9 J/cm3和85%。.(3)高取向度织构陶瓷的制备及晶粒生长机制。以NaNbO3籽晶为模板,采用TGG工艺制备了<001>织构度最高达99%的NaNbO3织构陶瓷,生长动力学计算表明基体晶粒和模板晶粒的生长分别由晶界曲率和扩散控制,且基体晶粒易被模板晶粒吞噬生长,从而有利于织构的形成。.(4)织构陶瓷的储能特性优化及温度稳定性提升机制。以NaNbO3籽晶为模板,分别制备了<001>取向的Na0.7Bi0.1NbO3和AgNbO3织构陶瓷。在20-130 ℃范围内,Na0.7Bi0.1NbO3织构陶瓷的储能密度和效率的变化率均小于4%;AgNbO3织构陶瓷的储能密度和效率的变化率均小于0.7%,比非织构陶瓷的变化率降低10倍。温度稳定性的提升主要得益于籽晶模板带来夹持作用,以及织构工程降低了陶瓷中的氧空位浓度以及因各向异性的晶粒限制了载流子的迁移。. 系列研究成果在Nature Communications发表学术论文13篇,申请发明专利2项;培养博士研究生2名,硕士研究生6名。在本项目的支持下,研究人员参加国内外学术会议12人次,获得广西自然科学奖二等奖和广西青年科技奖等奖励和荣誉。
铌酸银基反铁电体的晶体生长、畴工程调控和储能机制研究
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批准号:11864004
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项目类别:地区科学基金项目
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资助金额:43.0万元
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批准年份:2018
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负责人:罗能能
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依托单位:
国内基金
海外基金