无铅反铁电储能电介质陶瓷的设计与制备、介电铁电响应行为及放电特性研究

脉冲功率技术在高功率脉冲激光器、受控核聚变、生物医疗等领域具有广泛应用前景，储能电介质是脉冲电容器的关键材料，一直是国内外的研究热点。反铁电材料因具有高储能密度的独特优势，成为储能电介质的重要候选材料。同时，环境友好型电子材料与器件的研究已成为关注的焦点，然而目前的反铁电材料基本以含铅为主。基于无铅BNT-BT-KNN固溶体也存在铁电-反铁电相界，本项目首次提出将BNT-BT-KNN材料用于反铁电存储介质，通过组份设计，调节铁电-反铁电相界和相变特性；采用液相合成法、两步烧结法等制备不同微结构的BNT-BT-KNN陶瓷，研究微结构对其相变特性、储能特性和放电特性的影响规律及物理机制；揭示BNT-BT-KNN反铁电陶瓷在外场（电场、温度）作用下的相变特性及其介电铁电响应行为，探索建立材料介电铁电性能与放电曲线之间的内在联系，为研制脉冲电容器用新型无铅反铁电介质材料提供科学依据和指导。

储能电介质是脉冲电容器的关键材料，一直是国内外的研究热点。反铁电材料因具有高储能密度的独特优势，是储能电介质的重要候选材料。同时，环境友好型电子材料与器件的研究已成为关注的焦点，然而目前的反铁电材料基本以含铅为主。基于无铅BNT-BT-KNN固溶体也存在铁电-反铁电相界，本项目将BNT-BT-KNN材料用于反铁电存储介质，系统开展了BNT-BT-KNN陶瓷储能特性及相变行为的研究。主要研究内容及重要结果如下：（1）通过组份设计，采用固相法制备了BNT-BT-KNN陶瓷，研究了KNN的引入量对储能密度的影响规律，随着KNN含量增加，退极化温度Td下降，自发极化强度Ps和剩余极化强度Pr降低，储能密度W下降；（2）研究了(0.9-x)BNT-xBT-0.1KNN[BNBKN(x), x = 0.060，0.063，0.066 和0.069]陶瓷中储能密度、晶格参数c/a和BNT/BT比的关系。随着BNT/BT比的增加，c/a比先升高后降低，而储能密度一直增加。在5kV/mm时，BNBKN(0.063)的储能密度达到0.424J/cm3，这是目前室温时在BNT-BT-KNN陶瓷中获得的最高储能密度；（3）研究了0.89BNT-0.06BT-0.05KNN陶瓷的储能特性及相变行为。储能密度在稳定的反铁电区间达到0.59J/cm3（5.6kV/mm），并具有良好的温度稳定性和频率稳定性，表明该陶瓷具有应用于储能电容器的潜力；变温电滞回线和热释电表征表明其具有弛豫性的反铁电行为，室温以上至120oC区间均为弛豫反铁电相，场致铁电相到弛豫反铁电相的转变受到极化温度的调制；（4）研究并绘制了掺Mn-89/6/5陶瓷温度相图，当Mn<1.0mol%时，为AFES-AFEL-PE，当 Mn≥1.0mol%时， AFES-PE；（5）研究了Bi/Na 比对陶瓷相组成的影响，随着Bi/Na比提高，退极化温度明显降低，反铁电序可以稳定到更低的温度。首次发现在0.837BaNbT-0.063BT-0.1KNN陶瓷，在Bi/Na 比>0.5/0.5时可诱导出反铁电相。发表SCI论文7篇，申请中国发明专利1项，协助培养博士生1名（将于2014年6月份毕业）。