钙钛矿型储能电介质的多层次结构设计与新材料探索

高功率脉冲技术小型化、高功率化需要其储能电介质具有高储能密度、高功率密度、宽工作温度范围和长耐久性，钙钛矿型电介质是固态储能介质的重要候选材料之一，提高其储能密度是急需解决的关键问题之一。本项目针对影响钙钛矿型储能电介质储能密度的介电常数、耐压强度等关键因素，围绕电介质多层次结构（电子结构、晶体结构、显微结构等）与介电性能和耐压强度的本质关联、外场作用下电介质结构与性能变化及其机理、影响电介质耐压强度本征与非本征因素等问题，开展钙钛矿型储能电介质的电子结构与显微结构设计、多层次结构对介电性能和耐压强度的影响与机制、不同层次结构的形成过程与调控方法、电击穿机理等研究，形成钙钛矿型高储能密度电介质组成设计的原则与结构调控方法，丰富材料科学、电介质理论的知识体系，为研制钙钛矿型高储能密度电介质提供科学依据和指导，推动高功率脉冲技术的发展。

本项目围绕钙钛矿型储能电介质所涉及的基本科学问题与关键材料问题开展研究，通过掺杂调整组份、玻璃相添加、第二相或多组元引入、微结构调控等手段对影响介电性能的本征因素、非本征因素、外场作用因素进行系统研究，分析了组成、多层次结构（电子结构、晶体结构、显微结构等）对介电性能的影响，确定影响钙钛矿型储能电介质的介电性能和耐压强度的关键因素，形成了钙钛矿型高储能密度电介质的组成设计原则与结构控制方法，为研制新型的钙钛矿型电介质提供科学依据和指导。本项目按照任务书的内容开展研究工作，全面完成各项研究内容，达到预期目标。发表SCI论文46篇，申请发明专利15项，授权5项，材料衍射数据卡片5张，主办国际学术会议1次。主要的研究工作与创新进展有以下几方面：.1）钙钛矿型储能电介质不同组成控制以及介电性能研究。研究BaTiO3、SrTiO3基固溶体系电介质掺杂以及组份调整对介电性能的影响，以及制备工艺对显微结构以及介电性能影响，适量的无碱玻璃（Ba-B-Al-Si，Zn-B-Si，Bi-B-Al-Sr，Ba-B-Zn等体系玻璃料）加入对BaTiO3、SrTiO3基复合体系陶瓷的致密度和耐压强度都有所改善。.2）不同层次结构设计对材料介电性能影响机理研究，包括微结构的有序化、纳米化、叠层对介电性能的影响。通过织构结合掺杂改善K0.5Na0.5NbO3（KNN）微观结构的有序化，可有效改善在某一方向压电性能；通过调整烧结温度制备具有不同晶粒尺寸（0.5 μm- 5.6 μm）的Ba0.4Sr0.6TiO3致密陶瓷，晶粒尺寸的变化对BST顺电态陶瓷的储能性能有着重要影响。通过纳米化、叠层以及多壳层结构设计，研究微结构对BaTiO3基介电性能影响机理。.3）钙钛矿型电介质电子结构的第一原理分析。通过第一原理计算类钙钛矿结构电介质以及掺杂的键长，键角等结构参数以及态密度，价键能等，发现Bi，Y掺杂以及Na0.5 Bi0.5TiO3（NBT）固溶会降低BaTiO3介质的铁电性，从而影响其介电性能。