烧结制度对BNT-ST无铅反铁电陶瓷储能性能的影响文献综述

 2021-09-27 12:09

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文献综述

铁电体是一类特殊的电介质材料,具有铁电性,在自然状态下基本晶胞内存在固有的不对称性,即有自发极化特性,且自发极化方向可随外加电压而转向,即使关断电源,其极化方向也不会改变,只有加上反向电压后,极化方向才能被改变。1951年美国科学家KittleC根据宏观唯象理论提出了反铁电体[1]。反铁电结构与铁电体相近,但一定温度范围内相邻籽晶格沿着反平行方向排列,因而反铁电体宏观上自发极化强度为零[2]。

反铁电材料应用十分广泛,从日常生活到军事技术都有应用。PZT基反铁电陶瓷材料具有致密性好、机械强度较高等特点,是应用于机敏传感器、应变制动材料、大功率换能器等系统中的最有前途的材料之一。反铁电材料目前的应用领域主要有大位移驱动器、爆电换能器、热释电探测器、储能电容器等。

1反铁电陶瓷储能材料研究

铁电体的一个重要特征即具有电滞回线,而由于反铁电体不存在净电矩,故没有铁电体的电滞回线。但在外电场作用下会发生反铁电相(AFE)-铁电相(FE)相变,出现特征双电滞回线。对于相变后的铁电体,利用加热或加压等方法可使其回复为反铁电体,且过程中伴随极大的应力变化和高密度电荷瞬间释放现象,因而反铁电体可成为实际应用于高密度储能电容器的优秀候选材料[3]。图1表示反铁电材料与铁电材料储能的具体特征:由于铁电体中大量存在着剩余极化,当铁电电容器两侧的电场被撤掉时,少部分的能量被释放,而剩余的绝大部分的储能将会继续存储于铁电电容器当中;对于反铁电电容器,当电场撤销时,极化也相应地消失,材料中的储能迅速减少,除少量的以热能的方式消耗散去外,绝大部分的输入能量仍然能以电能形式释放出来。当电场被撤销逐渐减小至零时,铁电相转换为反铁电相,这是一个释能过程;而随着电场强度逐渐增加,反铁电体转换成铁电体,这是一个储能过程。通过控制电场可实现铁电-反铁电相转变过程中伴随的储能释能过程[4]。

反铁电体在充电-放电循环工作中,一个较大的缺陷是通常几百个循环后器件就会产生裂纹而失效。这些裂纹是充放电过程中材料相变产生较大应力应变造成的。如果目标材料能够保持较高的饱和极化强度()以及低的剩余极化强度(),同时增加双电滞回线的矩形度,就可以在保持反铁电体高能量密度的同时,增加其充放电循环寿命[3]。

图1铁电体(a)和反铁电体(b)储能过程

Paurui等人[5]在研究较多的La掺杂PZ体系中发现,储能密度的高低并不取决于回线的形状,根据公式,极化强度的提高对储能密度的提升作用更加显著。Hao等人[6]对PZ体系进行了Sr掺杂,发现Sr可以提高PZ薄膜的储能密度和能量效率以及疲劳特性。

2BNT系无铅反铁电陶瓷研究进展

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