微晶玻璃电介质介电性能调控及其界面极化机理的研究

本项目针对脉冲功率技术所急需的高储能密度电介质，以新型微晶玻璃电介质作为研究对象，以进一步提高电介质的储能密度为目标，重点解决微晶玻璃电介质材料测试和表征技术中存在的共性问题和关键科学问题。基于电工学科和材料学科的交叉结合，对电介质复相材料的微观构型（主晶相与玻璃相的连通特性）和宏观性能参数（介电常数和击穿场强）进行一体化、最优化的创新设计，进而实现微晶玻璃介电性能的有效调控。通过微观显微分析和宏观测量相结合，对微晶玻璃电介质的击穿及其充放电特性进行研究，并结合微晶玻璃复相电介质的界面极化与储能密度的表征与测量，提出改善微晶玻璃电介质储能密度的科学方法，为脉冲功率源的微小型化提供强有力的材料支持。

首先系统地研究了钙钛矿结构钛酸锶钡微晶玻璃和钨青铜结构铌酸锶钡微晶玻璃的析晶动力学过程，揭示了铁电相的形核、生长机制，并根据实验结果优化了析晶工艺制度，分别采用整体析晶法和烧结法成功制备了一系列钙钛矿结构和钨青铜结构的铁电微晶玻璃样品，获得了高度致密、晶相分布均匀的微晶玻璃电介质。其次，系统地研究了铁电微晶玻璃微观结构优化方法和工艺，探索了铁电微晶玻璃材料的可控制备方法，成功实现了微晶玻璃微观结构的可调控性。并优选了性能稳定的微晶玻璃组成，制备了具有高介电常数、高击穿场强的铁电微晶玻璃电介质材料。再者，借助宏观电性能测试设备和微观表征手段，系统研究了微晶玻璃电介质的介电性能随晶粒尺寸及形状、玻璃相含量的变化规律，揭示了相关工艺参数对微晶玻璃电介质的界面极化与储能密度的影响规律，深入研究了微晶玻璃微观结构与储能特性的关系。另外，针对微晶玻璃电介质界面极化严重影响储能密度这一基本科学问题，结合热激退极化电流测量、阻抗谱分析、电滞回线分析方法，从微观与宏观相结合的角度，开展了微晶玻璃材料界面极化的表征工作，探索了微晶玻璃击穿场强与界面极化的关系，确认了材料内部的界面极化强度大小也是影响击穿性能的一个重要因素。建立了微观结构与界面极化、宏观储能特性之间的内在联系，揭示了复合电介质材料界面极化的机理，为高储能密度元器件的微小型化提供了技术与理论依据。