电介质陶瓷氧空位微观缺陷与绝缘电阻衰退关联性的研究

The insulation resistance degradation of dielectrics during service is one of the main obstacles to their wide applications. This project started from highly accelerated lifetime testing. The formation and migration of oxygen vacancies in dielectrics will be systematically investigated. The formation mechanism of oxygen vacancies will be investigated by adjusting acceptor concentration and sintering atmosphere. Using thermally stimulated depolarization current measurements, current-voltage measurements at microregion by atomic force microscopy, impedance spectroscopy, oxygen tracer studies, electron paramagnetic resonance and electron energy loss spectroscopy analysis, the dependences of polarons, complex defect dipoles and space charges on temperature, electric field and oxygen partial pressure will be systematically studied. We try to comprehensively analyze the physical behavior of the charged bodies related with oxygen vacancies. Moreover, the correlation between oxygen vacancy defects and macroscopic properties will be studied. And special emphasis will be made on controlling the diffusion of oxygen vacancies. The universally theoretical results obtained from our work will provide insight on how to manufacture the dielectric ceramics with improved reliability.

电介质陶瓷材料服役过程中绝缘电阻衰退问题是制约其广泛应用的主要障碍之一。本申请从高加速寿命试验入手，系统地开展电介质内部氧空位形成与迁移机制的基础研究工作。通过改变受主浓度和优化烧结气氛的方法，调节氧空位的浓度，研究氧空位的形成机理；采用热刺激退极化电流测试、原子力显微镜微区电流-电压特性测量、阻抗谱分析等表征方法，并结合示踪原子、透射电镜电子能量损失谱、电子顺磁共振等微观测量手段，系统研究氧空位所形成的三种带电体（极化子、复合缺陷偶极子、空间电荷）与外场（温度、电场、气氛）的相互作用机制。全面分析氧空位相关带电体的物理行为，完整构建氧空位微观缺陷与宏观性能的关联体系，努力实现氧空位迁移扩散过程的有效调控。本项目的开展将提供普适性的理论研究成果，为制备高可靠性的电介质陶瓷材料提供理论指导。

近年来，电介质陶瓷电容器在高电场、高温领域的需求不断增加，但由氧空位引起的绝缘电阻衰退问题仍然严重制约其广泛应用。氧空位作为电介质陶瓷材料中最为活跃的微观缺陷之一，可以与周围介质、带相反电荷的点缺陷、界面（相界、晶界、畴界）发生相互作用，分别形成极化子（一次电离和二次电离状态）、复合缺陷偶极子和空间电荷。这些相互作用与外界影响因素密切相关，如温度、电场、气氛。探究与氧空位相关带电体在多场作用下的动态行为，对于理清氧空位对电介质绝缘电阻衰退的影响机理、改善电介质陶瓷的可靠性具有重要意义。在本项目中，首先通过固相反应法制备钡掺杂的铅基反铁电陶瓷材料，通过高加速寿命试验方法，深入探究氧空位相关带电体的形成和迁移机制与反铁电体绝缘电阻衰退的关系，氧空位浓度的减少、迁移的抑制有利于绝缘电阻衰退过程的改善。其次，通过改变反铁电材料的烧结工艺、镧掺杂含量，调控氧空位极化子的状态、浓度和分布，并与反铁电体的相稳定性、介电性能及储能特性等建立联系，提供最佳工艺参数选择指南，形成高可靠性的电介质陶瓷制备关键工艺；通过热刺激退极化电流测试，给出退极化电流特性与微观缺陷动态行为的对应关系，研究在电场与温度场共同作用下电介质陶瓷中复合缺陷偶极子的动态行为，并揭示氧空位在晶粒内和跨晶界的迁移动力学机制。最后，采用固相反应法制备无铅弛豫铁电陶瓷，考察复合掺杂效应对于宏观储能特性的影响，重点关注材料的充电-放电循环稳定性，通过X射线光电子能谱、负载电阻充电-放电测试、电子顺磁共振等方法探究点缺陷、复合缺陷偶极子、空间电荷等缺陷结构的形成规律及调控方法，为掌握电介质陶瓷储能器件损伤机理奠定了实验基础，为其进一步实用化和高可靠性应用提供理论支撑。