摘 要

本文的研究是在脉冲功率技术快速发展的背景下提出的，高储能密度的介质材料能推动固态脉冲形成线朝轻小型方向发展。因此，探索具有高耐压强度、高介电常数、低介电损耗的储能介质材料成为这一领域的研究热点。其中，介质陶瓷因为有较高的介电常数，较好的稳定性，能快速储存释放电能，易于成型，成分可调控性强，成为储能介质材料的研究热点。Ba_0.3Sr_0.7TiO₃铁电陶瓷具有较高介电常数，但击穿电场较低，介电损耗也较大。基于以往的研究，掺入MgO能提高Ba_0.3Sr_0.7TiO₃的击穿场强，掺入Bi(Mg_0.5Ti_0.5)O₃能改善SrTiO₃基陶瓷的弛豫特性，而改良制备工艺能改变陶瓷微观结构，影响击穿强度。故本次研究围绕掺杂对介质陶瓷储能性能的影响展开，研究0.88 BaTiO₃ - 0.12 Bi_1.05Mg_0.5Ti_0.5O₃（BMT）的掺杂对Ba_0.3Sr_0.7TiO₃（BST）陶瓷结构、介电性能和储能性能的影响。根据本次研究得出结论，BMT的掺入使BST陶瓷晶粒细化，增强弛豫特性，增大击穿电场，明显改善BST陶瓷的储能特性。本次研究中制备出的陶瓷样品(1-x) BST - x BMT中，在180kV/cm下的最大储能密度达0.9 J/cm³，击穿场强达460 kV/cm，储能效率高达81%。

关键词：脉冲功率技术；储能密度；固态脉冲形成线；Ba_0.3Sr_0.7TiO₃；掺杂

Abstract

The research of this paper is based on the rapid development of pulse power technology.The dielectric material of high energy density can promote solid-state pulse formation line toward the light and small direction. Therefore,exploring energy storage dielectric material with high compressive strength,high dielectric constant and low dielectric loss has become a hotspot in this field.Among them, the dielectric ceramic,because of the higher dielectric constant, better stability, can quickly store and release energy, easy to shape, the composition of strong regulation, becomes a hot in energy storage dielectric materials research.Ba_0.3Sr_0.7TiO₃ ferroelectric ceramics has a higher dielectric constant.But the breakdown of the electric field is low,the dielectric loss is also larger.Based on previous studies,The incorporation of MgO can improve the breakdown strength of Ba_0.3Sr_0.7TiO₃.The incorporation of Bi (Mg_0.5Ti_0.5) O₃ can improve the relaxation properties of SrTiO₃-based ceramics.The improved preparation process can change the ceramic microstructure,affecting the breakdown strength.Therefore,this study focused on the effect of doping on the energy storage performance of dielectric ceramic.The effects of 0.88 BaTiO₃ - 0.12 Bi_1.05Mg_0.5Ti_0.5O₃ doping on the structure, dielectric properties and energy storage properties of Ba_0.3Sr_0.7TiO₃ ceramics were investigated. Based on this study, it is concluded that the incorporation of BMT makes the BST ceramic grains minimized.Droping can enhance the relaxation characteristics, increase the breakdown electric field, significantly improve the BST ceramic energy storage characteristics. The maximum energy storage density of the ceramic sample (1-x) BST - x BMT prepared in this study is 0.9 J/cm³, the breakdown field strength is 460 kV/cm, and the energy storage efficiency is as high as 81%.

Key Words:pulse power technology;energy storage density;solid state pulse forming line;Ba_0.3Sr_0.7TiO₃; incorporation

1 绪论

·1.1 脉冲功率技术的发展状况

脉冲功率技术是伴随着国防和高新技术的发展而产生的新研究领域，是利用脉冲形成线实现电能快速储存和释放的技术，脉冲形成线是一种耐高压的储能介质制品。目前，脉冲功率技术的研究领域主要集中在核物理技术、电子束、粒子束、加速器、激光、等离子体技术、电磁脉冲模拟、电磁发射等高新技术领域。脉冲功率放大系统的工作原理如图1-1^[1]：

初级

能源

中间

储能

介质

脉冲

形成

回路

能量供给单元

能量输出单元

图1-1 脉冲功率系统原理图

如图1-1，高功率脉冲系统先将来自低功率初级能源的电能存储在中间储能介质如电容器、电感器中，以慢脉冲形式输入脉冲形成回路，由脉冲形成回路中的Blumlein脉冲发生器输出高功率快脉冲，应用于高新技术。

脉冲形成线是一对或多对平行板传输线叠积而成，传输线两极之间填充有液态或固态的储能介质，相当于一个复杂的电容器组。电容器可以实现电能的快速储存与释放，所以虽然在初级能源中获得的能量有限，仍可以通过快放在负载上获得高脉冲功率，这种高功率的能量甚至可以应用于受控热核聚变。

脉冲发生器输出的脉冲宽度τ（高电平持续的时间）与脉冲形成线中的介质材料的介电常数ε和磁导率μ有关，其表达式如下^[2~3]：

(1-1)

其中，L为脉冲形成线长度，c为光速。

由式1-1可知，要获得长脉冲，就要增大脉冲形成线的长度，或者提高介质材料的磁导率或介电常数。尺寸过大的脉冲形成线不利于脉冲功率系统朝轻小化发展^[4~6]，因此实践中常采用具有高介电常数的介质材料制作长脉冲的脉冲形成线。

·1.2 储能电介质材料概述

·1.2.1 脉冲形成线用储能介质材料

脉冲电容器和固态脉冲形成线是脉冲功率系统的主要储能元件^[7~8]。要形成脉冲功率大、脉冲前沿陡的电脉冲^[9]，必须要寻找具有高介电常数的脉冲形成线用储能介质材料。一些典型的脉冲形成线用储能介质材料及主要介电性能如表1-1^[10]：

表1-1 脉冲形成线用典型介质材料及其介电性能

从表1-1可知，BaTiO₃陶瓷电介质材料的介电常数远高于其他液态介质或有机介质材料，储能密度比较适中，但击穿场强过低。有研究表明，以BaTiO₃陶瓷为代表的固态陶瓷电介质材料的介电常数随温度、电场频率的变化在一定程度上具有稳定性^[11]，耐高温，化学稳定性好，充放电迅速，而且使用寿命长，制备工艺成熟，组成可调控，从而可以通过掺杂改善其储能特性，成为脉冲形成线用储能介质材料的首选^[12]。在高功率脉冲设备大规模应用的今天，高储能密度的电介质陶瓷可以大大推动脉冲功率设备朝轻小化、集成化方向发展。

因此，通过对BaTiO₃进行掺杂改性、结构调控、改进陶瓷制备工艺等来提高介电陶瓷的储能性能成为了储能介电陶瓷研究的新方向，本文就是研究掺杂对(Ba, Sr)TiO₃基电介质陶瓷储能性能的影响。

·1.2.2 钛酸锶钡(BST)储能介质陶瓷的结构和基本电学性能

研究表明，TiO₂系陶瓷相对于其他陶瓷体系具有更优的介电性能和耐压强度，常用作储能介质材料。TiO₂系中的BaTiO₃具有高介电常数，但介电损耗大；而SrTiO₃具有低损耗、高耐压强度、电致伸缩小、高稳定性的优点，但居里点（T_c）很低，低达-250 ℃，介电常数较小，室温下约为250^[13]。两者都不适合直接用做储能介质材料。而由两者完全固溶形成的化合物Ba_xSr_(1-x)TiO₃(BST)不仅综合了两组分的优良介电性能，而且还可以通过改变Ba/Sr比，使BST的居里温度（T_c）在100 K至400 K内连续可调^[14]。其中，固溶组成为Ba_0.3Sr_0.7TiO₃的陶瓷常温下为顺电态，介电损耗非常小，击穿强度较高，但介电常数比较低，常用作储能改性研究的基体材料。

在一定温度下，BaTiO₃和SrTiO₃都是钙钛矿型结构，结构通式为ABO₃，理想的钙钛矿型结构是立方晶体结构，如图1-2^[15]。A位上的原子半径较大，占据顶角；B位上的原子半径较小，占据体心；O原子位于面心，形成的氧八面体将B原子包围在八面体中心。通过XRD物相分析，连续固溶体(Ba, Sr)TiO₃也保持了原晶体的钙钛矿型结构，与BaTiO₃和SrTiO₃一样，在居里温度（T_c）范围内具有铁电性，温度高于T_c时铁电性消失，在居里点T_c处会发生铁电相-非铁电相（或顺电相）转变，介电常数出现极大值^[16]。这是由于温度高于T_c时，晶体的稳定相为立方相，晶体处于顺电态，属于线性电介质；温度低于T_c时，晶体的稳定相为四方相，晶体处于铁电态。晶体由顺电态变为铁电态时，晶体结构发生畸变，位于B位的Ti⁴ 相对于体心位置发生偏移，产生了偶极距，晶体结构转变为更稳定的四方相，如图1-3^[16]：