一種無(wú)鉛反鐵電高儲(chǔ)能密度陶瓷材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及介電儲(chǔ)能陶瓷材料，具體是一種無(wú)鉛反鐵電高儲(chǔ)能密度陶瓷材料及其 制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著發(fā)展中國(guó)家經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)加速，人類對(duì)能源需求日益增長(zhǎng)，因此新能源的開發(fā)與 存儲(chǔ)成為今年來(lái)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。電介質(zhì)電容器具有輕便、高效、環(huán)境友好、比功率高等特 性，在電力電子系統(tǒng)中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。高儲(chǔ)能密度、高儲(chǔ)能效率及快速存放電材 料是高功率密度大容量電容器的基礎(chǔ)。多種電介質(zhì)材料已經(jīng)被研究應(yīng)用于高密度能量?jī)?chǔ) 存，按其鐵電性能的不同一般分為鐵電材料、反鐵電材料和線性電介質(zhì)材料。與鐵電和線性 介電材料相比，反鐵電材料在電場(chǎng)作用下發(fā)生反鐵電-鐵電相變時(shí)總是伴隨著巨大的能 量存儲(chǔ)與釋放，有望在高功率大容量高壓電容器中廣泛應(yīng)用。因此，反鐵電材料是一種極具 應(yīng)用前景的未來(lái)高儲(chǔ)能密度介電材料。
[0003] 室溫反鐵電陶瓷常見報(bào)道的是PbZrOjg基材料，或者高溫態(tài)無(wú)鉛Bia5Naa51103基 陶瓷材料。目前，室溫?zé)o鉛反鐵電高儲(chǔ)能密度陶瓷材料及其制備方法還鮮 見報(bào)道。
[0004] 本發(fā)明通過(guò)調(diào)控扮(|.#8(|.5110 3-8&1103基陶瓷材料的化學(xué)組成，結(jié)合制備方法調(diào) 控梯度微觀結(jié)構(gòu)，即多層芯殼結(jié)構(gòu)，鐵電相-非遍歷弛豫鐵電相-遍歷弛豫鐵電相-順 電相梯度共存，利用高場(chǎng)下鐵電相帶動(dòng)非遍歷弛豫鐵電相+遍歷弛豫鐵電相+順電相梯 度項(xiàng)鐵電轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)了無(wú)鉛陶瓷材料室溫反鐵電態(tài)高儲(chǔ)能密度、又高耐壓高儲(chǔ)能效率，這 類反鐵電陶瓷性能優(yōu)良，制備技術(shù)簡(jiǎn)單。目前還未見室溫反鐵電高儲(chǔ)能密度高壓無(wú)鉛 BiuNauTiC^-BaTiO^陶瓷介質(zhì)材料及類似的制備方法的報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是要提供室溫高壓反鐵電高儲(chǔ)能密度高壓無(wú)鉛陶瓷介質(zhì)及其制備 方法，這種室溫反鐵電陶瓷具有優(yōu)異的儲(chǔ)能密度及放電效率，儲(chǔ)能密度可達(dá)1. 8J/cm3,儲(chǔ)能 效率可達(dá)55%，環(huán)境友好、損耗低、實(shí)用性好。
[0006] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是： 一種室溫高壓反鐵電高儲(chǔ)能密度無(wú)鉛陶瓷介質(zhì)材料，其配方為： (Bi_rNa,)AgzTi0.98_/)3-M5aTi03-〇. 02SrZr03+/?(0. 5Mn02_0. 3La203_0. 2Nb205) 其中z、_7、z、》、/?表示摩爾分?jǐn)?shù)，z=0. 48 或 0? 49 ;尸(0? 46-z), (0? 44-z), (0? 46-z), (0? 42-z) _7分別取值：z/尸0? 48八0. 46-z), 0. 48/ (0. 44-^), 0. 49/ (0.46~z), 0. 49/ (0. 44-z), 0. 49/ (0.42~z)；0. 005 ^ ^ 0. 01 ；0. 04 ^ 0. 09 ；0. 001 ^ 0. 02 本發(fā)明高壓反鐵電高儲(chǔ)能密度無(wú)鉛陶瓷介質(zhì)的制備方法，包括如下步驟： (1)將電子級(jí)原料Bi203、Na2C03、SrC03、Ag20、ZrOjPTiO2按照化學(xué)式： (BiJa^AgJiQuOfO.C^SrZrC^ 進(jìn)行配料， 其中z、_7、z、示摩爾分?jǐn)?shù)，z=0. 48 或 0? 49 ;尸(0? 46-z), (0? 44-z), (0? 46-z), (0? 42-z) ;x% _7分別取值：z/尸 0? 48八0. 46-z), 0. 48/ (0. 44-^), 0. 49/ (0.46~z), 0. 49/ (0. 44-z), 0. 49/(0.42~z)；0. 005 ^ ^ 0. 01 ；0. 04 ^ 0. 09. 以無(wú)水乙醇為介質(zhì)球磨24小時(shí)，干燥后在坩堝中以900°C保溫2小時(shí)合成化合物 (BiJajAgJiQuOfO. 02SrZr03粉末； (2)將（BiJajAgJia^OfO. 02SrZr03粉末和納米單晶顆粒BaTiO3粉體以及MnO2、La203、Nb205粉末按照化學(xué)式： (BixNa,)AgJiQ.98_/) 3-flfiaTi03-0. 02SrZr03+/?(0. 5Mn02-0. 3La203-0. 2Nb205)進(jìn)行配料， 其中1、_7、2、》、/?表示摩爾分?jǐn)?shù)，^=0.48,0.49;尸(0.46-^),(0.44-^),(0.46-^), (0? 42-z) ;x% _7分別取值：z/尸0? 48八0. 46-z), 0. 48/ (0. 44-^), 0. 49/ (0.46-z),0. 49/ (0. 44-z), 0. 49/(0.42~z)；0. 005 ^ ^ 0. 01；0. 04 ^ 0. 09； 0. 001 彡 /?彡 0. 02。
[0007] (3)以無(wú)水乙醇為介質(zhì)二次球磨6小時(shí)，置于紅外線下干燥后加入5%(重量百分 比）濃度的PVA溶液造粒，壓制成型圓片。
[0008] (4)成型后的圓片在空氣中燒結(jié)，第一步燒結(jié)溫度1150-1200°C，保溫時(shí)間5分 鐘，第二步降溫到1120°C，保溫時(shí)間12小時(shí)； (5)樣品加工成兩面光滑、厚度約0. 3mm的薄片，披銀電極，然后測(cè)試儲(chǔ)能特性與電性 能。
[0009] 本發(fā)明通過(guò)成分調(diào)節(jié)，在原料中采用納米單晶BaTiOjg粒粉體，結(jié)合兩歩燒結(jié)，控 梯度微觀結(jié)構(gòu)，獲得多層芯殼結(jié)構(gòu)，利用高場(chǎng)下鐵電相帶動(dòng)非遍歷弛豫鐵電相+遍歷弛豫 鐵電相+順電相梯度向鐵電轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)了無(wú)鉛陶瓷材料室溫反鐵電態(tài)高儲(chǔ)能密度、又高耐 壓高儲(chǔ)能效率。本發(fā)明制備工藝簡(jiǎn)單、穩(wěn)定，適合工業(yè)推廣應(yīng)用。本發(fā)明的陶瓷組成是一種 綠色環(huán)保型陶瓷，儲(chǔ)能密度可達(dá)1. 8J/cm3,儲(chǔ)能效率可達(dá)55%，損耗低。
【附圖說(shuō)明】
[0010] 圖1為本發(fā)明陶瓷材料的電滯回線。
【具體實(shí)施方式】
[0011] 實(shí)施例1 : 制備成分為：（BixNa,)AgzTia98_w03-M5aTi03-0. 02SrZr03+/?(0. 5Mn02_0. 3La203_0. 2Nb205) 的高壓反鐵電高儲(chǔ)能密度無(wú)鉛陶瓷介質(zhì)，其中_7、表示摩爾分?jǐn)?shù)，其中f〇. 48 ; 7=0. 455；z=0.005 ； ^=0. 05；n=0. 001 制備方法包括如下步驟： ⑴將電子級(jí)原料Bi203、Na2C03、SrC03、Ag20、ZrO#PTiO2按照化學(xué)式： (BiJa^AgJiQuOfO.C^SrZrC^ 進(jìn)行配料， 其中z、_7、z、不摩爾分?jǐn)?shù)，z=0. 48 ;/=0? 455 ;z=0. 005 ;?=0? 05. 以無(wú)水乙醇為介質(zhì)球磨24小時(shí)，干燥后在坩堝中以900°C保溫2小時(shí)合成化合物 (BiJajAgJiQuOfO. 02SrZr03粉末； (2)將合成的（BiJa^AgJLnOfO. 02SrZr03粉末和納米單晶顆粒BaTiO3粉體以及 Mn02、La203、Nb205粉末按照化學(xué)式： (BixNa,)AgJiQ.98_/)3-flfiaTi03-0. 02SrZr03+/?(0. 5Mn02-0. 3La203-0. 2Nb205)進(jìn)行配料， 其中z、_7、z、》、/?表不摩爾分?jǐn)?shù)，其中z=0. 48 ;j=0. 455 ;z=0. 005 ;?=0? 05 ;/? =0? 001。
[0012] (3)以無(wú)水乙醇為介質(zhì)二次球磨6小時(shí)，置于紅外線下干燥后加入5%(重量百分 比）濃度的PVA溶液造粒，壓制成型圓片。
[0013] 4.成型后的圓片在空氣中燒結(jié)，第一步燒結(jié)溫度1180°C，保溫時(shí)間5分鐘，然后 第二步降溫到1120°C，保溫時(shí)間12小時(shí)； 5.樣品加工成兩面光滑、厚度約0. 3mm的薄片，披銀電極，然后測(cè)試儲(chǔ)能特性與電性 能。
[0014] 性能如表1所示。
[0015] 實(shí)施例2: 制備成分為：（BixNa,)AgzTia98_w03-M5aTi03-0. 02SrZr03+/?(0. 5Mn02_0. 3La203_0. 2Nb205) 的高壓反鐵電高儲(chǔ)能密度無(wú)鉛陶瓷介質(zhì)，其中_7、表示摩爾分?jǐn)?shù)，其中f〇. 49 ; 7=0. 41 ；z=0.01 ；is=0.09；n=0. 018〇
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