一种具有高储能密度和储能效率的陶瓷材料及其制备方法技术

技术编号:12581867 阅读:132 留言:0更新日期:2015-12-23 20:02
本发明专利技术公开了一种具有高储能密度和储能效率的陶瓷材料及其制备方法,其化学式为(1-x)(KyNa1-y)NbO3-xBi(Mg2/3Nb1/3)O3,其中0.08≤x≤0.5;0.2≤y≤0.8。本发明专利技术通过添加Bi(Mg2/3Nb1/3)O3使(KyNa1-y)NbO3基陶瓷的耐击穿强度显著提高,达到240kV/cm,有效储能密度为0.59-1.66J/cm3,储能效率为49.4-95%;通过配料、烘干研磨、二次预烧、造粒、成型、烧结、研磨和被银电极,获得该陶瓷材料,制备工艺简单,成本低,无污染,该陶瓷材料具有高的储能密度和高的储能效率,制备工艺简单,制备成本低的优点,具有强的实用性。

【技术实现步骤摘要】
一种具有高储能密度和储能效率的陶瓷材料及其制备方法
本专利技术涉及电介质储能陶瓷材料
,具体涉及一种具有高储能密度和高储能效率的铌酸钾钠基无铅陶瓷材料及制备方法。
技术介绍
脉冲功率技术是20世纪30年代产生、60年代以来迅速发展的一门新兴技术,是把较小功率的能量以较长时间慢慢输入到能储存能量的设备中,将能量进行压缩与转换,然后在极短的时间(最短可为纳秒)以极高的功率密度向负载释放的电物理技术。脉冲功率技术已被用于研发新型高能量密度的武器装备,如电磁/电热炮、激光武器、高功率微波武器、粒子束武器、电磁脉冲弹等武器装备。作为脉冲功率技术设备主体部分的高功率脉冲电源,为脉冲功率装置的负载提供电磁能量,主要由初级能源、能量储存系统、能量转换和释放系统组成。目前,主要有机械能储能、电容器储能、电化学储能三种方式用于脉冲功率技术的能量储存。相对于其它储能器件,电容器储能因为具有储能密度高、能量释放速度快、可靠性高、安全性高、价格低廉以及较易实现轻量化和小型化等优点,因此成为目前高功率脉冲电源中应用最广的储能器件之一。随着科技的发展,各种高温环境中的高功率脉冲装置对储能电容器的使用温度范围提出了更高的要求。比如,汽车电子、石油钻探、航空航天、国防军工等极端领域。因此,开发在尽可能高的温度环境中稳定工作,并同时具有较高储能密度的脉冲电容器,是世界各国在高新
都迫切需要解决的问题。目前,用于制备储能电容器的固态高储能密度介质材料的研究主要集中在聚合物、陶瓷-聚合物复合材料以及陶瓷三大类。由于聚合物、陶瓷-聚合物复合材料的聚合物基体在150℃容易发生热分解或变形,因此,陶瓷介质材料成为制备耐高温脉冲电容器的主要候选材料。目前,无铅储能陶瓷材料主要集中在BaTiO3、SrTiO3、CaTiO3和(Bi0.5Na0.5)TiO3等陶瓷材料上,但是,这些材料的储能密度和储能效率仍然较低,限制了这些材料的实际使用。
技术实现思路
为解决上述问题,本专利技术提供了一种具有高储能密度和高储能效率的铌酸钾钠基无铅陶瓷材料及制备方法,通过添加Bi(Mg2/3Nb1/3)O3使(KyNa1-y)NbO3陶瓷的晶粒减小,提高了陶瓷的耐电击穿强度,提高了储能密度和储能效率。为实现上述目的,本专利技术采取的技术方案为:一种具有高储能密度和储能效率的陶瓷材料,其化学式为(1-x)(KyNa1-y)NbO3-xBi(Mg2/3Nb1/3)O3,其中0.08≤x≤0.5;0.2≤y≤0.8。为解决上述问题,本专利技术还提供了一种具有高储能密度和储能效率的陶瓷材料的制备方法,包括如下步骤:S1、将分析纯的无水碳酸钾,无水碳酸钠,五氧化二铌,氧化镁和三氧化二铋在120-150℃烘干处理5小时后,按化学通式(1-x)(KyNa1-y)NbO3-xBi(Mg2/3Nb1/3)O3(0.08≤x≤0.5;0.2≤y≤0.8)中的化学计量比称取上述各原料后混合,得混合物;S2、将步骤S1所得的混合物在乙醇中以Zr02球为媒质行星球磨24-48小时,烘干,得干粉;S3、将步骤S2所得的干粉在850-950℃空气中预烧2-10小时后,研磨过筛,得粉料A;S4、将步骤S3所得的粉料A在850-950℃空气中预烧2-10小时,研磨过筛,得粉料B;S5、将步骤S4所得的粉料B在乙醇中行星球磨24-48小时,烘干后,粉体质量的5%加入聚乙烯醇造粒;S6、将造粒后的粉料在100-300MPa的压力下干压成型,得成形素坯;S7、将步骤S6所得的成形素坯置于中温炉中以1-3℃/min的升温速率升温至在500-650℃,保温2-5小时后,随炉自然冷却;S8、将步骤S7所得的成形素坯以1-5℃/min的升温速率升温至1100-1170℃,保温2-10小时后,随炉自然冷却,得到致密陶瓷片;S9、将步骤S8所得的陶瓷片精修至0.2-0.3mm厚,双面用丝网刷上银浆后,在700-850℃条件下烧渗银电极,得成品。本专利技术具有以下有益效果:与现有储能陶瓷材料相比,该陶瓷材料具有高的储能密度和高的储能效率,制备工艺简单,制备成本低的优点,具有强的实用性。附图说明图1为本专利技术实施例中0.90(K0.5Na0.5)NbO3-0.10Bi(Mg2/3Nb1/3)O3陶瓷在室温下的X射线衍射图谱。图2为本专利技术实施例中0.90(K0.5Na0.5)NbO3-0.10Bi(Mg2/3Nb1/3)O3陶瓷的电滞回线。图3为本专利技术实施例中0.90(K0.5Na0.5)NbO3-0.10Bi(Mg2/3Nb1/3)O3陶瓷的扫描电镜照片。具体实施方式为了使本专利技术的目的及优点更加清楚明白,以下结合实施例对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术,并不用于限定本专利技术。实施例1S11、将分析纯的无水碳酸钾,无水碳酸钠,五氧化二铌,氧化镁和三氧化二铋在120-150℃烘干5小时后,按按化学式0.92(K0.2Na0.8)NbO3-0.08Bi(Mg2/3Nb1/3)O3中的化学计量比称取上述各原料后混合,得混合物;S12、将步骤S11所得的混合物置于乙醇中以ZrO2球为媒质行星球磨24小时,烘干,得干粉;S13、将所得干粉在850℃空气中预烧2小时,研磨过筛后得到粉料A;S14、将所得粉料A在850℃空气中再次预烧2小时,再次研磨过筛后得到粉料B;S15、将所得的粉料B在乙醇中行星球磨24小时,烘干粉料后,粉体质量的5%加入聚乙烯醇造粒;S16、将造粒后的粉料在200MPa的压力下干压成型,得成形素坯;S17、将所得的成形素坯置于中温炉中以1℃/min的升温速率升温至在500℃,保温2小时后,随炉自然冷却;S18、将步骤S17所得的成形素坯是以1℃/min的升温速率升温至1100℃,保温2小时后随炉自然冷却,得到致密陶瓷片;S19、将所得的陶瓷片精修至0.2mm厚,双面用丝网刷上银浆后在700℃条件下烧渗银电极。采用X-射线衍射分析仪(XRD)来确定预烧粉体和陶瓷样品的晶体结构和相结构,用扫描电子显微镜(SEM)观察陶瓷样品的显微结构演变。陶瓷烧结体的体积密度利用阿基米德原理测量。用安捷伦E4980A精密LCR测试仪测试介电性能。采用铁电分析仪TF-2000,测试陶瓷及玻璃陶瓷样品的电滞回线。高压测试时,将样品放在硅油中,防止表面放电。性能:实施例2S21、将分析纯的无水碳酸钾,无水碳酸钠,五氧化二铌,氧化镁和三氧化二铋在120-150℃烘干5小时后,按按化学式0.92(K0.2Na0.8)NbO3-0.08Bi(Mg2/3Nb1/3)O3中的化学计量比称取上述各原料后混合,得混合物;S22、将步骤S21所得的混合物置于乙醇中以ZrO2球为媒质行星球磨24小时,烘干,得干粉;S23、将所得干粉在900℃空气中预烧2小时,研磨过筛后得到粉料A;S24、将所得粉料A在850℃空气中再次预烧2小时,再次研磨过筛后得到粉料B;S25、将所得的粉料B在乙醇中行星球磨24小时,烘干粉料后,粉体质量的5%加入聚乙烯醇造粒;S26、将造粒后的粉料在300MPa的压力下干压成型,得成形素坯;S27、将所得的成形素坯置于中温炉中以2℃/min的升温速率升温至在500℃,保温2小时后,随炉自然冷却;本文档来自技高网
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一种具有高储能密度和储能效率的陶瓷材料及其制备方法

【技术保护点】
一种具有高储能密度和储能效率的陶瓷材料,其特征在于,其化学式为(1‑x)(KyNa1‑y)NbO3‑xBi(Mg2/3Nb1/3)03,其中0.08≤x≤0.5;0.2≤y≤0.8。

【技术特征摘要】
1.一种具有高储能密度和储能效率的陶瓷材料,其特征在于,其化学式为(1-x)(KyNa1-y)NbO3-xBi(Mg2/3Nb1/3)O3,其中0.08≤x≤0.5;0.2≤y≤0.8。2.一种具有高储能密度和储能效率的陶瓷材料的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:S1、将分析纯的无水碳酸钾,无水碳酸钠,五氧化二铌,氧化镁和三氧化二铋在120-150℃烘干处理5小时后,按化学通式(1-x)(KyNa1-y)NbO3-xBi(Mg2/3Nb1/3)O3(0.08≤x≤0.5;0.2≤y≤0.8)中的化学计量比称取上述各原料后混合,得混合物;S2、将步骤S1所得的混合物在乙醇中以ZrO2球为媒质行星球磨24-48小时,烘干,得干粉;S3、将步骤S2所得的干粉在850-950℃空气中预...

【专利技术属性】
技术研发人员:杜红亮屈绍波马华王甲富王军庞永强
申请(专利权)人:中国人民解放军空军工程大学
类型:发明
国别省市:陕西;61

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