钛酸钡基核-壳结构复合体系陶瓷的极化响应与储能特性研究

BaTiO3基陶瓷是国内外都很重视的储能电介质材料，在脉冲功率系统、新型动力电源系统等方面有重要的应用前景。提高BaTiO3基电介质陶瓷的储能密度当前亟待解决的问题。本项目采用BaTiO3基电介质和SiO2基玻璃为组元，从不同组元的介电性能特点出发，进行核-壳型复合结构设计，利用不同组元在介电性能上的优势，通过综合优化介电性能来提高储能能力。本项目通过控制组元的粉体形态和制备工艺，实现核-壳型复合结构的形成与调控。在此基础上，研究复合体系陶瓷的介电性能和储能密度随组成和结构的变化规律，围绕对复合体系陶瓷在外加电场下的极化响应行为与机理这个基本问题的研究，揭示复合体系陶瓷中的各种极化机制对储能密度的贡献，确定影响复合体系陶瓷储能密度的本质因素，并研制高储能密度的复合体系电介质陶瓷。本项目的研究结果丰富材料科学、电介质/铁电物理学的知识体系，为高储能密度电介质陶瓷材料的发展提供科学指导。

BaTiO3基陶瓷是具有发展前景的储能电介质材料。本项目采用BaTiO3基电介质和SiO2基玻璃为组元制备复合体系陶瓷，研究了复合体系陶瓷样品中的各种极化机制对介电性能和储能特性的贡献，揭示了影响复合体系陶瓷样品介电行为和储能特性的本质因素。本项目取得以下主要研究结果：.1. 探索出BaTiO3固溶体系电介质粉体和MCAS体系玻璃粉体的化学法合成新工艺，并制备出颗粒细小均匀的超微细粉体，为实现两种合成粉体的均匀混合，进而控制复合体系陶瓷样品的显微结构和优化其介电性能提供了技术基础。.2. 处于顺电态的BaTiO3固溶体系电介质中PNRs的极化响应对BaTiO3固溶体系在温度、频率、电场等不同外场条件下的介电行为具有显著影响，PNRs的尺寸、极化强度等特征参数与BaTiO3固溶体系的组成紧密相关，PNRs的尺寸效是决定PNRs的极化响应行为的重要因素。.3. 引入MCAS玻璃组元可以有效促进BaTiO3基复合体系陶瓷样品的低温烧结致密化和细化显微结构（晶粒粒度~200-300 nm），增强了复合体系陶瓷样品的电绝缘特性，降低了复合体系陶瓷样品的介电常数及其在偏置电场下的介电非线性。.4. MCAS玻璃组元与BaTiO3固溶体系组元在高温下发生反应，增加了BaTiO3固溶体系电介质晶格中氧空位的含量，基于氧空位机制的氧离子跃迁运动对复合体系陶瓷样品的介电响应行为有显著影响，在很宽的频率范围内增加了复合体系陶瓷样品的介电损耗。.5. 加入MCAS玻璃组元使复合体系陶瓷样品的储能密度有所降低，复合体系陶瓷样品的储能效率则得到明显的提高，通过合理控制MCAS玻璃组元的含量可以获得具有优良综合性能参数的BaTiO3基储能电介质材料。.基于以上研究结果，在在Acta Mater.、J. Alloy. Compd.、Mater. Res. Bull.等国际学术期刊上发表8篇论文，在国际会议论文集上发表1篇论文，申请2项国家发明专利，其中1项国家发明专利申请已经获得授权。