儲(chǔ)能用鐵電介質(zhì)材料簡(jiǎn)介
作為脈沖功率技術(shù)設(shè)備主體部分的高功率脈沖電源，為脈沖功率裝置的負(fù)載提供電磁能量，主要由初級(jí)能源、能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)、能量轉(zhuǎn)換和釋放系統(tǒng)組成。目前，主要有機(jī)械能儲(chǔ)能、電容器儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能3種方式用于脈沖功率技術(shù)的能量?jī)?chǔ)存。相對(duì)于其它儲(chǔ)能器件，電容器儲(chǔ)能因?yàn)榫哂袃?chǔ)能密度高、能量釋放速度快、可靠性高、安全性高、價(jià)格低廉以及較易實(shí)現(xiàn)輕量化和小型化等優(yōu)點(diǎn)，因此成為目前高功率脈沖電源中應(yīng)用廣的儲(chǔ)能器件之一。
根據(jù)介質(zhì)材料極化強(qiáng)度隨外場(chǎng)的變化規(guī)律，可以將儲(chǔ)能材料分為3大類:線性介質(zhì)、鐵電介質(zhì)和反鐵電介質(zhì)。這3類介質(zhì)材料的儲(chǔ)能原理和儲(chǔ)能密度(d-e，ε-e曲線)如圖2a～c所示。
batio3基陶瓷
以batio3陶瓷為代表的鐵電體具有較高的介電常數(shù)，是制造鐵電陶瓷電容器的基礎(chǔ)材料，也是目前國內(nèi)外應(yīng)用廣泛的電子陶瓷材料之一。在介電層厚度確定的情況下，材料的介電常數(shù)越高，電容器的比電容越大，越易于實(shí)現(xiàn)器件的小型化。許多研究結(jié)果表明，摻雜可以改善batio3陶瓷的介電性能從而更有利于儲(chǔ)能
電容器應(yīng)用，可以摻雜的元素離子包括nd3+，ca2+，sr2+，la3+，sn4+，zr4+，mg2+，co3+，nb5+，mn4+和稀土離子的摻雜。表2為常用的高介電穩(wěn)定性batio3鐵電陶瓷系統(tǒng)材料的配方，添加物種類及其測(cè)試的性能。
ba(ti1－xzrx)o3(btz)是batio3基多層陶瓷電容器重要的材料體系之一。batio3的高介電常數(shù)隨著zr的引入得到進(jìn)一步提高，且溫度穩(wěn)定性也得到進(jìn)一步改善，達(dá)到了z5u的標(biāo)準(zhǔn)。研究表明，在mn摻雜的bzt中，要改善其介電老化性能需要盡可能提高退火過程中的氧分壓。近報(bào)導(dǎo)了一種具有良好溫度穩(wěn)定性的高介電常數(shù)、高電阻率的batio3-0.3bisco3陶瓷材料。用該陶瓷制作的單介電層電容器室溫73kv/mm時(shí)的儲(chǔ)能密度達(dá)到6.1j/cm3，這顯著高于x7r商用電容器的相應(yīng)性能。并且，該電容器在300℃仍保持高儲(chǔ)能密度，從而具有高儲(chǔ)能密度高溫電容器的應(yīng)用潛力。
srtio3基陶瓷
srtio3基陶瓷具有高介電常數(shù)，低介電損耗和穩(wěn)定的溫度、頻率和電壓特性，是用于制備大容量陶瓷晶界層電容器的理想材料。yamaoka等研制出的系列陶瓷不僅具有優(yōu)良的介電性能和顯著的伏安非線性特性，而且具有吸收1000～3000a/cm2這樣較高電涌的能力，所以該材料兼有大容量電容器和壓敏電阻器的功能。sbbt陶瓷屬于srtio3系，是在srtio3-m(bi2o3·ntio2)系(簡(jiǎn)稱sbt)陶瓷的基礎(chǔ)上加入batio3等燒制而成的，具有介電常數(shù)大，介質(zhì)損耗小，擊穿場(chǎng)強(qiáng)高的特點(diǎn)。
tio2陶瓷
tio2陶瓷具有高的耐擊穿強(qiáng)度(～350kv/cm)和較高介電常數(shù)(～110)，從而具有可觀的儲(chǔ)能密度。研究表明，納米晶tio2陶瓷比粗晶制備的tio2陶瓷具有更高的耐擊穿強(qiáng)度(*高可達(dá)2200kv/cm)。
作為脈沖功率技術(shù)設(shè)備主體部分的高功率脈沖電源，為脈沖功率裝置的負(fù)載提供電磁能量，主要由初級(jí)能源、能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)、能量轉(zhuǎn)換和釋放系統(tǒng)組成。目前，主要有機(jī)械能儲(chǔ)能、電容器儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能3種方式用于脈沖功率技術(shù)的能量?jī)?chǔ)存。相對(duì)于其它儲(chǔ)能器件，電容器儲(chǔ)能因?yàn)榫哂袃?chǔ)能密度高、能量釋放速度快、可靠性高、安全性高、價(jià)格低廉以及較易實(shí)現(xiàn)輕量化和小型化等優(yōu)點(diǎn)，因此成為目前高功率脈沖電源中應(yīng)用廣的儲(chǔ)能器件之一。根據(jù)介質(zhì)材料極化強(qiáng)度隨外場(chǎng)的變化規(guī)律，可以將儲(chǔ)能材料分為3大類:線性介質(zhì)、鐵電介質(zhì)和反鐵電介質(zhì)。這3類介質(zhì)材料的儲(chǔ)能原理和儲(chǔ)能密度(d-e，ε-e曲線)如圖2a～c所示。
batio3基陶瓷
以batio3陶瓷為代表的鐵電體具有較高的介電常數(shù)，是制造鐵電陶瓷電容器的基礎(chǔ)材料，也是目前國內(nèi)外應(yīng)用廣泛的電子陶瓷材料之一。在介電層厚度確定的情況下，材料的介電常數(shù)越高，電容器的比電容越大，越易于實(shí)現(xiàn)器件的小型化。許多研究結(jié)果表明，摻雜可以改善batio3陶瓷的介電性能從而更有利于儲(chǔ)能
電容器應(yīng)用，可以摻雜的元素離子包括nd3+，ca2+，sr2+，la3+，sn4+，zr4+，mg2+，co3+，nb5+，mn4+和稀土離子的摻雜。表2為常用的高介電穩(wěn)定性batio3鐵電陶瓷系統(tǒng)材料的配方，添加物種類及其測(cè)試的性能。
ba(ti1－xzrx)o3(btz)是batio3基多層陶瓷電容器重要的材料體系之一。batio3的高介電常數(shù)隨著zr的引入得到進(jìn)一步提高，且溫度穩(wěn)定性也得到進(jìn)一步改善，達(dá)到了z5u的標(biāo)準(zhǔn)。研究表明，在mn摻雜的bzt中，要改善其介電老化性能需要盡可能提高退火過程中的氧分壓。近報(bào)導(dǎo)了一種具有良好溫度穩(wěn)定性的高介電常數(shù)、高電阻率的batio3-0.3bisco3陶瓷材料。用該陶瓷制作的單介電層電容器室溫73kv/mm時(shí)的儲(chǔ)能密度達(dá)到6.1j/cm3，這顯著高于x7r商用電容器的相應(yīng)性能。并且，該電容器在300℃仍保持高儲(chǔ)能密度，從而具有高儲(chǔ)能密度高溫電容器的應(yīng)用潛力。
srtio3基陶瓷
srtio3基陶瓷具有高介電常數(shù)，低介電損耗和穩(wěn)定的溫度、頻率和電壓特性，是用于制備大容量陶瓷晶界層電容器的理想材料。yamaoka等研制出的系列陶瓷不僅具有優(yōu)良的介電性能和顯著的伏安非線性特性，而且具有吸收1000～3000a/cm2這樣較高電涌的能力，所以該材料兼有大容量電容器和壓敏電阻器的功能。sbbt陶瓷屬于srtio3系，是在srtio3-m(bi2o3·ntio2)系(簡(jiǎn)稱sbt)陶瓷的基礎(chǔ)上加入batio3等燒制而成的，具有介電常數(shù)大，介質(zhì)損耗小，擊穿場(chǎng)強(qiáng)高的特點(diǎn)。
tio2陶瓷
tio2陶瓷具有高的耐擊穿強(qiáng)度(～350kv/cm)和較高介電常數(shù)(～110)，從而具有可觀的儲(chǔ)能密度。研究表明，納米晶tio2陶瓷比粗晶制備的tio2陶瓷具有更高的耐擊穿強(qiáng)度(*高可達(dá)2200kv/cm)。