铋系化合物改性的新型三元弛豫铁电体的性能研究

钛酸钡(BaTiO₃)陶瓷作为传统的介质电容器材料,其强铁电性会导致储能密度低下,但通过掺杂可以削弱铁电性来获得弛豫铁电体,提高储能性能。利用铋系化合物可增强弛豫特性,本文设计了BiScO₃和(Sr_0.7Bi_0.2)TiO₃取代改性的BaTiO₃基三元陶瓷材料: (0.99-x)Ba(Zr_0.1Ti_0.9)O₃-x(Sr_0.7Bi_0.2)TiO₃-0.01BiScO₃(缩写为BZT-xSBT-BS)。采用传统固相法制备的BZT-xSBT-BS陶瓷,相结构没有因为掺杂发生改变,在室温下均为纯的三方相钙钛矿结构。介电和铁电的测试与分析表明,BZT-xSBT-BS陶瓷具有典型的弛豫铁电特性。由于不等价离子Sr²⁺、Bi³⁺的掺杂导致界面松弛极化,可以增大BZT-xSBT-BS陶瓷的介电常数,但是受制于其慢的响应速度,陶瓷的介电损耗也显著增加。适量(Sr_0.7Bi_0.2)TiO₃可以提升BZT-xSBT-BS陶瓷的介电、铁电、应变和储能性能,x=0.015时的BZT-xSBT-BS陶瓷的综合性能较优:ε_r~10 372,tanδ~0.019,P_max=16.42 μC/cm²,E_c=1.41 kV/cm,S⁺_max=0.12%(@40 kV/cm),W_D=0.181 J/cm³,η=80.4%(@60 kV/cm)。