微晶玻璃电介质界面极化形成与放电机制研究

Glass ceramics are key materials in pulsed power supply. The problem which limits the application of the glass ceramics is their low real energy density and large discharge time. This project will start from composition optimization and sample preparation of the glass ceramics. The interface polarization formation and discharge mechanism in the glass ceramics will be systematically investigated. Using advanced macroscopic test methods and microscopic characterization apparatus, we will systematically study the correlation between composition, microstructure, heterogeneous interface and energy storage property. Based on early investigation and good cooperation with the user, the applicants propose to modify the phase interface by optimizing composition, to tune planar defect by improving microstrucutre, and to tailor point defect by changing heat treatment atomosphere. Thus the interface polarization will be improved. Furthrermore, the applicants will investigate the relationship between electric current and electric voltage at microregion by atomic force microscope and study the microscopic polarization mechanism by thermally stimulated depolarization current measurements and impedance spectroscopy analysis. Thus the dielectric breakdown mechanism and discharge mechanism will be explored. The implementation of this project will promote the application of glass ceramics in the pulsed power supply.

储能电介质是脉冲功率电源的关键材料。困扰微晶玻璃作为储能电介质应用的突出问题是其实际储能密度低、放电时间长。本申请从微晶玻璃的组成优化设计与制备入手，系统地开展微晶玻璃电介质界面极化形成与放电机制的应用基础研究工作；采用先进的宏观性能测试方法，并结合微观分析表征手段，系统地研究微晶玻璃材料中组成、微观结构、异质界面与储能特性的关系；申请者在前期与应用单位良好合作基础上，进一步提出通过优选材料组成来调控相界面，通过优化微观结构来调控面缺陷，通过优化热处理气氛来调控点缺陷，从而达到有效改善界面极化的目的。采用原子力显微镜测试微区电流-电压特性，采用热激退极化电流和介电谱测试方法探测内部微观极化机制，揭示微晶玻璃电介质击穿机理和放电机制。本项目的研究对于促进微晶玻璃在脉冲功率电源中的实际应用具有重要意义。

储能电介质是脉冲功率电源的关键材料。困扰微晶玻璃作为储能电介质应用的突出问题是其实际储能密度低、放电时间长。本申请从微晶玻璃的组成优化设计与制备入手，系统地开展了微晶玻璃电介质界面极化形成与放电机制的应用基础研究工作。.首先，考察了硅铝比对钛酸锶钡基铁电微晶玻璃的性能影响。结果表明，合适的硅铝比有助于主晶相为钛酸锶钡（BST）从玻璃基体中析出。随着硅铝比的增加，介电常数有一个极大值，而击穿场强出现一个极小值。其次，通过研究溶胶凝胶工艺制备的基本组成为90wt%BST-10wt%(B2O3–nSiO2)(n=0.5, 1, 3, 5)系列微晶玻璃。该体系结晶相均由(Ba,Sr)TiO3和Ba2TiSi2O8两相组成。介温谱测试表明，当n从0.5增加到1的时候，该系列样品的介电常数和介电损耗显著增加。进一步提高n值，介电常数和介电损耗则下降，该趋势和BST相的X射线衍射峰强随n值变化趋势一致。再者，在氮气气氛下烧结制备了微晶玻璃样品，研究了烧结温度对微晶玻璃的微观结构和介电性能的影响。结果表明随着烧结温度的升高，析出晶体的体积分数和尺寸均逐渐长大。通过对比氮气和空气烧结样品的x射线衍射结果发现，改变烧结气氛并未对样品中晶体析出相产生影响；还研究了退火气氛对钛酸锶钡微晶玻璃介电特性的影响。结果表明退火气氛对样品中氧空位浓度的影响比较显著，氮气烧结的BST样品中氧空位浓度比空气和氧气退火的样品中氧空位浓度明显升高。最后，开展了微晶玻璃电介质储能器件在脉冲条件下充放电特性测试，并研究了微晶玻璃储能器件静态脉冲X光照相损伤诊断，该结果与红外照相结果基本一致，为掌握了微晶玻璃储能器件损伤机理奠定了实验基础。.本项目的研究结果对于促进微晶玻璃在脉冲功率电源中的实际应用具有重要意义。