稀土掺杂钛酸锶基陶瓷的介电性能调控及其物理机制

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。

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%。