梯度纳米包覆BiMeO3基材料结构设计及高温介电性能研究

本项目围绕多层包覆钙钛矿型BiMeO3基电介质所涉及的组分与结构设计、制备以及结构与性能关系等关键问题开展研究，通过研究BiMeO3-BaTiO3（Me:Mg1/2Ti1/2, Zn1/2Ti1/2,Al）体系制备工艺和介电性能，获得了该体系介电性能随组分变化的规律，明确了BiMeO3-BaTiO3固溶体以及改性组份与高温介电性能之间的关系；用化学法制备单层包覆BaTiO3核壳结构材料，了解不同壳层对介电性能的影响；在此基础上设计多壳层包覆结构，通过BiMeO3-BaTiO3包覆改善体系高温介电性能，并对多层包覆结构优化及表征。阐明了BiMeO3-BaTiO3材料梯度纳米包覆结构设计与介电性能的规律，揭示了BiMeO3-BaTiO3材料梯度包覆结构形成机制，建立了提高BiMeO3-BaTiO3基高温介电陶瓷温度稳定性(ΔC/C≤±15％)的控制方法，研制符合宽温或高温要求（150-200℃，ΔC/C≤±15％）的高温陶瓷电容器新材料。项目完成任务书的要求，取得阶段性成果，发表SCI论文15篇，申请发明专利8项，授权4项，参加国际学术会议8人次并作口头报告，其中一次为口头邀请报告。 研究工作与创新进展有以下几方面： 1）BiMeO3-BaTiO3固溶体不同组成以及介电性能研究。通过研究BiMeO3-BaTiO3（Me:Mg1/2Ti1/2，Zn1/2Ti1/2，Al）体系制备工艺和介电性能，BiMeO3的加入使得BiMeO3-BaTiO3陶瓷表现出明显的频率色散和弥散相变，且具有较强的弛豫特性，其中Nb2O5改性0.2BZT-0.8BT可达到X9R要求，溶胶凝胶法制备0.3BA-0.7BT组分可在超宽温范围（-55~440℃）满足∆C/C25℃≤±15%要求。 2）制备单层包覆BaTiO3核壳结构材料，了解不同壳层对介电性能的影响。通过制备BiMeO3-BaTiO3（Me: Zn1/2Ti1/2，Al）以及Nb/Co氧化物单层包覆BaTiO3，表明 BiMeO3-BaTiO3包覆层有利于提高高温端介电稳定性，Nb/Co氧化物包覆层有利于展宽介温谱，提高低温端的介电稳定性。 3）设计并制备多壳层结构材料，并对多层包覆结构优化及结构与性能表征，获得不同壳层组分设计以及核/壳比例对BaTiO3基材料介电稳定性影响规律。 2100433B

针对能源、航空航天、冶金、石油化工等电子设备对陶瓷电容器在更高温度条件下工作的问题，通过本项目组的前期研究，选定BiMeO3-BaTiO3基材料体系为研究对象，采用传统固相合成、湿化学法以及放电等离子体快速加热等方法，研究BiMeO3-BaTiO3基材料改性及其梯度纳米包覆结构对高温介电性能的影响，分析BiMeO3基材料的梯度纳米包覆结构形成机制，确定材料梯度纳米包覆结构制备工艺，项目预期将揭示纳米梯度包覆结构设计对高温介电性能的影响规律，建立提高BiMeO3-BaTiO3基高温介电陶瓷温度稳定性(ΔC/C≤±15％)的控制方法。项目的研究成果对于解决目前高温电容器存在的问题具有重要意义，可以为该体系在新一代环境友好高温陶瓷电容器中应用提供科学依据。

利用各种物理或化学的沉积方法在合金基体表面直接制备一层含保护性金属元素，具有保护性的金属薄膜，这层薄膜就是包覆涂层，也称合金化涂层。其典型代表是MCrAIY涂层。包覆涂层克服了扩散型涂层所存在的涂层与基体相互制约、涂层组织受扩散反应限制的弱点，通过表面沉积的合金化涂层的优化设计和制备，得到更好的抗高温腐蚀性能和更长的使用寿命。如MCrAIY涂层，已成为最佳的合金高温防护涂层；涂敷了MCrAIY涂层的燃气轮机叶片可在恶劣的高温腐蚀环境中工作四万小时以上。

MCrAIY涂层的成分和结构与基体合金无关，这类基体通常采用电子束物理气相沉积、真空镀膜、离子镀膜和溅射镀膜及等离子喷涂等先进的现代技术进行涂敷。其中，溅射和电子束一物理气相沉积(EB - PVD)及等离子喷涂是制备MCrAIY涂层的主要手段。