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钛酸铋钠基无铅高熵陶瓷的制备及储能性能
研究
摘要
高熵陶瓷具有温度稳定性、优异的介电性能、多功能性和可调性等优点，因此具有
广阔的应用前景。然而，如何提高高熵陶瓷的能量密度以实现要求微型化和集成化的新
应用，这是一项重大挑战。钛酸铋钠(NaBiTiO，BNT)是一种晶体结构为钙钛矿(ABO)
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的无铅材料，由于其具有高的最大极化强度，被认为是最有可能在实际应用中实现高储
能特性的材料之一。因此，本文主要对BNT基无铅高熵陶瓷((CaSrBaBiNa)TiO，
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CSBBNT)进行调控，通过三种不同的调控策略进行探索，以此来提高该无铅高熵陶瓷材
料的储能性能，以下是本文的主要研究内容：
通过B位掺杂的策略来提升BNT基无铅高熵陶瓷的储能性能。采用了传统的固相
反应法来制备出了一系列的B位掺杂的BNT基无铅高熵陶(掺杂元素有Zr、Hf、Nb和
Sc)，对于A位已经呈现无序性的BNT基无铅高熵陶瓷，同时对其B位掺杂使其熵增的
策略来探索对其储能性能的影响。各项测试的实验结果表明，B位无序性的增加虽然可
以降低介电损耗，但是同时其极化强度也会大幅度降低。除了B位掺杂了Zr元素的BNT
基无铅高熵陶瓷外，B位掺杂了其他元素的BNT基无铅高熵陶瓷均呈现出残余极化和
矫顽力场较小的弛豫铁电体典型特征。尽管如此，从SEM、XRD以及铁电测试等结果
进行分析，对于A位和B位均由五种等摩尔比的元素组成的
(CaSrBaBiNa)(TiZrHfScNb)O陶瓷，在相同制备条件下，其相结构、
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致密度、体积密度以及性能测试能都表现较好。
通过掺杂CuO的策略来提升BNT基无铅高熵陶瓷的储能性能。采用固相反应法制
备了一系列的(CaSrBaBiNa)TiO+xmol%CuO陶瓷(CSBBNT-xCuO，x0、0.2、
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0.3、0.5、1.0和1.2)，探究了该陶瓷样品的制备工艺过程以及其最佳掺杂量，得出结论
x1.0是CuO的最佳掺杂量，其可回收能量密度()和储能效率()分别为5.69J/cm3
rec
和78.22%，且该陶瓷的介电损耗较低为1.8‰。
通过A位多组分调节的策略来提升BNT基无铅高熵陶瓷的储能性能。通过常规的
固相反应法成功制备了一种创新的BNT基无铅高熵陶瓷(Ca0.2Sr0.2+yBa0.2Bi0.2-y/2Na0.2-
)TiO(CSBBNT-y，y0、0.04、0.08、0.10、0.12和0.16)。所有CSBBNT-y陶瓷均在
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1280℃—1300℃下烧结4h，呈现出相对纯净的钙钛矿结构，晶体结构为纯四方结构。
CSBBNT-0.12陶瓷的弛豫铁电特性表明，在380kV/cm的电场中，该陶瓷的可恢复能量
3
存储密度为5.18J/cm，能量效率高达85.72%。该可回收能量密度是有报道的最佳
rec
储能密度之一。CSBBNT-0.12陶瓷样品在20°C至120°C的平均温度范围内表现出优
异的高循环次数稳定性。
【关键词】：高熵陶瓷；储能性能；BNT基；掺杂改性；多组分调节
Preparationandenergystorageperfo
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