西北大学：储能材料的制备与表征综合虚拟仿真实验
公司与西北大学合作，开发“储能材料的制备与表征综合虚拟仿真实验”课程。
实验目的
主晶相BaTiO3自身具有较高的介电常数。添加助烧剂主要是为了降低烧结温度，增大陶瓷致密性，提高其耐压强度。在陶瓷材料的制备中，虽然助烧剂的用量一般较少，但其对陶瓷的储能性质有很大的影响。常见陶瓷介质材料的制备方法主要包括传统固相法和湿化学包覆法。
湿化学包覆法相比于固相法具有很多优势，可以对粉体颗粒表面进行改性并形成“芯-壳”结构，使得陶瓷晶粒保持细小和均匀的结构。而稀土元素的添加可以增大介电常数并使居里峰展宽。BaTiO3@La2O3细晶陶瓷具有很好的介电温度稳定性，但尚未进一步研究其储能性质。单一SiO2添加剂可以作为阻挡层保持铁电“芯”部材料的性质；另一方面SiO2可以与其他物质形成低熔点物质从而降低陶瓷的烧结温度。
通过本虚拟实验，实现如下实验目的：
1. 通过软件模拟沉淀法和溶胶-凝胶法，让学生掌握BaTiO3纳米材料、以及依次包覆La2O3和SiO2的“芯-壳”结构BaTiO3@La2O3@SiO2复合材料和陶瓷材料的复杂制备过程及影响因素。
2. 通过软件仿真材料的表征及电性能测试结果，让学生掌握纳米材料、复合材料和陶瓷材料的组成、相结构和微观形貌的表征，以及介电性能、储能性质测试过程及结果。
3. 通过大数据虚拟，让学生熟悉反应配比和制备条件等因素对纳米材料、复合材料和陶瓷材料的相组成、微观结构和微观形貌，以及介电性能、储能性质的影响规律。
4. 通过线上虚拟仿真实验和线下的真实实验，让学生深入了解化学、材料以及与器件应用的关系。
实验原理
常压水相法制备BaTiO3粉体的简单原理：根据反应
向TiCl4和Ba(CH3COOH)2的混合溶液中加入NaOH 作为沉淀剂，生成BaTiO3。
沉淀包覆法制备BaTiO3@ La2O3粉体的原理：将La2O3溶解于硝酸溶液中生成La3+，加入氨水发生反应La3++3 NH3·H2O→La(OH)3+3NH4+生成的La(OH)3沉淀均匀的包覆于BaTiO3粉体表面，经煅烧处理后获得BaTiO3@ La2O3粉体。
沉淀包覆法制备BaTiO3@ La2O3@SiO2粉体的原理：以正硅酸四乙酯(TEOS)作为硅源，利用其遇水分解过程中的缩合反应5Si(OC2H5)4+10H2O→5SiO2+20C2H5OH，将SiO2均匀的包覆到BaTiO3@ La2O3粉体表面，形成BaTiO3@ La2O3@SiO2粉体。
陶瓷材料的电介质介电机理及电介质储能机理
（1）电介质电容器简介： 典型的传统电容器由两个导体板中间填充介电材料组成。储电是电容器作为电子设备的基础功能。电容器的存储能力就是其电容量，其只与电容器极板的物理尺寸和介质的介电常数有关。与极板间电势的差异和其总电荷量无关。因此，平行板电容器的电容量可以用下式得到：
C是电容量，A是两电极板重叠部分的面积，εr是相对介电常数，ε0是电常数（≈8.85*10-12 Fm-1），d是两极板之间的距离。可以看出，电容量与极板重叠部分面积和电介质介电常数成正比，而与极板间距离成反比。当给极板外加电压，就会发生电场极化现象。这将导致等量的正负电荷各自向两极板上积累，即所谓的充电过程。当两极板上累积正负电荷±Q的电势与外加电压相等时，则充电结束。Q/V等于电容器的电容量。有时，介质的介电常数会随外加偏压改变。在这种情况下，电容量定义为增加值的比值：
在充电过程中，电荷随外加偏压在两极板间移动，表明必须加电压，电能才能被存储下来。存储的总能量由下式表示：
（2）电介质储能机理：通常用电介质材料的储能密度表征其储能效果，定义单位时间内存储的电能为储能密度，单位J/cm3。可通过下列公式计算得到:
式中E表示为electric field即电场强度，D表示为electric of displacement即电位移距离，Dmax是在最大电场强度Emax下的电位移距离。此外E可由P极化强度(polarization)取代，因此又可表示为：
基于以上公式，电介质的J值可以通过电滞回线（P-E）积分面积得到。
第一象限内典型极化（a）和介电常数（b）随电场的变化曲线
如图所示，电场从零增大到Emax，极化也从零增大到Pmax，存储在电容器中的电能是Jstore, 如图中绿色和红色面积所示；在放电过程中，电场从Emax降至零，可利用能量密度Jreco 就会释放出来，如图中绿色区域所示。这意味着部分存储的能量（红色部分所示）在去极化过程中会由于滞后损耗而被损失。基于以上结果，能量存储效率η可以被定义为：
由于介电常数的定义是dP/dE，如图（b）所示，式（1-5）可以表达如下：
对于线性电介质，其介电常数不受外加电场影响，式（1-4）可以被简化为如下所示：
上式εr为电介质的相对介电常数，ε0是真空介电常数，它是个定值参数，大小是8. 85×10-12 F/m。因此可知对电介质材料施加的电压越大，其所能存储的能量越大，当然外加电压是有限制的，不能够超过材料的介电击穿电压，也就是材料所能承受的电压越大其储能潜质越大，另外材料的介电常数越大，它所能储存的能量也是越大的。
实验内容
本虚拟仿真实验包括如下4个学习模块：
模块一：纳米BaTiO3粉体材料的制备和表征
纳米BaTiO3粉体材料的制备
模块二：BaTiO3@La2O3粉体材料的制备和表征
马弗炉煅烧
模块三：BaTiO3@La2O3@SiO2粉体材料的制备和表征
EDS元素面扫描分散图
模块四：BaTiO3@La2O3@SiO2陶瓷材料的制备、表征和性能测试
BaTiO3@La2O3@SiO2陶瓷材料的制备
介电常数测定
铁电常数测定
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