一种核壳结构高储能密度电介质陶瓷的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种核壳结构高储能密度电介质陶瓷的制备方法，该方法首先通过溶胶凝胶法制备Ba0.4Sr0.6TiO3粉末；其次利用正硅酸乙酯水解制备SiO2包覆Ba0.4Sr0.6TiO3粉末；然后将制得的粉料装入模具，利用放电等离子烧结系统在真空环境中1000℃～1050℃进行烧结，制得陶瓷烧结体；最后在空气气氛下，将陶瓷烧结体1100℃～1150℃处理1～5小时，制得核壳结构高储能密度电介质陶瓷。利用本发明专利技术的制备方法制备的核壳结构高储能密度电介质陶瓷在室温下储能密度可达1.60J/cm3以上，比同样条件制备的未包覆SiO2的Ba0.4Sr0.6TiO3电介质陶瓷的储能密度提高了0.40J/cm3。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术设及储能电容器用介质材料
，尤其设及一种核壳结构高储能密度 电介质陶瓷的制备方法。
技术介绍
电介质电容器储能方式是将电能W电容器对极板间的富集电荷电势场的形式储 存。与传统的燃料电池、裡电池相比，电介质储能电容器的特点是响应速度快、功率密度高、 使用寿命长、全固态安全结构、使用溫度范围广等，在大功率和脉冲功率器件中有着非常广 泛的应用。对于线性电介质，其储能密度与介电常数成正比、与介电击穿场强的平方成正 比，因此探索具有高介电常数、高介电击穿场强和低介电损耗的介电材料，是提高储能密 度、实现器件小型化的关键。铁酸锁领陶瓷因具有良好的铁电性、压电性、非线性光学性能 等被广泛应用于微电子、光电子、集成光学和微电子机械系统等领域。在储能方面，较低的 介电损耗、较高的介电常数和击穿场强，也使得铁酸锁领陶瓷获得了重点关注。 申请号为201110046717.6的中国专利公开了一种铁酸锁领基储能介质陶瓷的制 备方法，其步骤如下：（1)BST陶瓷细粉的制备；（2)玻璃料的制备；（3)按各原料所占体积 百分数为：BST陶瓷细粉80~99%、玻璃料1~20%，选取上述BST陶瓷细粉和玻璃料；BST 陶瓷细粉中加入玻璃料，用氧化错和无水乙醇球磨24~36h，烘干制得陶瓷-玻璃混合粉 末，加入粘结剂造粒，粘结剂的加入量为陶瓷-玻璃混合粉末质量的3~5%，压片得到生巧 片；生巧片在600°C下保溫化排胶，冷却至室溫，最后在升溫速率为2~4°C/min, 1050~ 1280°C下保溫2~地，得到铁酸锁领基储能介质陶瓷。该方法制备的储能介质陶瓷，测得介 电常数为380,击穿强度28.OkV/mm，有效储能密度为1. 50J/cm3。 上述专利通过在铁酸锁领陶瓷中添加玻璃相，使陶瓷的介电击穿强度提高，从而 获得了较高的储能密度。但添加了玻璃相的铁酸锁领复相陶瓷的介电常数下降明显，因此 如何通过配方调整和工艺改进，在大幅度提高陶瓷的介电击穿强度的同时，仍旧保持适中 的介电常数，是制备高储能密度电容器的关键。
技术实现思路
阳〇化]本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种核壳结构高储能密度电介质陶 瓷的制备方法，通过Si〇2包覆Bae.ASre.eTi化纳米粉末及放电等离子烧结方法，提高电介质 陶瓷的介电击穿强度，从而提高电介质陶瓷的储能密度。 本专利技术的目的是通过W下技术方案来实现的：一种核壳结构高储能密度电介质陶 瓷的制备方法，该方法包括W下步骤： (1)溶胶凝胶法制备Ba〇.4Sr〇.eTi〇3粉末：将Ti(C化0)4溶于乙二醇，揽拌至澄清； 加入巧樣酸，继续揽拌至澄清；再加入BaC〇3和SrCO3粉末，滴加质量浓度为65%的HN03数 滴，得到混合溶液；将混合溶液置于水浴中揽拌至黄栋色透明溶胶随后烘箱中烘干，直至溶 胶颜色变为深栋色；最后般烧获得Baa.4Sra.JiO3纳米粉末； 阳00引 似利用正娃酸乙醋（TE0巧水解制备Si〇2包覆Ba〇.4Sr〇.eTi〇3粉末：将 Ba。.4Sr。.Ji〇3粉末进行表面处理，具体为：将Ba。.4Sr。.eTi〇3粉末加入到稀释的HN03溶液中， 超声振荡后静置，去除上层清液，去离子水洗涂数次；硝酸处理过的Bae.4Sre.Ji化粉末加 入到巧樣酸溶液中，超声振荡后静置，去除上层清液；巧樣酸处理后的Bae.4Sre.JiO3粉末 分散在乙醇/去离子水/氨水的混合液中，超声振荡后，一边揽拌一边缓慢滴加正娃酸乙 醋（TE0S)，加入正娃酸乙醋的量使得巧樣酸处理后的BaD.4Srn.JiO3粉末与Si〇2的摩尔比 为（100-X):x;接着加热揽拌至溶剂全部蒸发，剩余粉末烘干后般烧，获得具有核壳结构的 Ba〇.4Sr〇.eTi〇3@Si〇2粉末； (3)将步骤（2)制得的粉料装入模具，利用放电等离子烧结系统在真空环境中 1000°C~1050°C进行烧结，制得陶瓷烧结体； (4)空气气氛下，将步骤做制得的陶瓷烧结体lioor~115(TC处理1~5小时， 制得所述核壳结构高储能密度电介质陶瓷。 W11] 进一步地，步骤似中，巧樣酸处理后的Bae.4Sre.JiO3粉末与Si〇2的摩尔比为 (100-X) :x，其中X= 5 ~12. 5。 阳〇1引进一步地，巧樣酸处理后的Ban.4Srn.eTi〇3粉末与Si〇2的摩尔比为（100-X) :x，其 中，X= 5,8 或 12. 5。 进一步地，步骤（1)中，溶胶凝胶法制备Ba〇.4Sr〇.eTi〇3粉末时，Ti(C4H9〇)4与乙二 醇的摩尔分数比为1:15~1:25,Ti(C4HgO)4与巧樣酸的摩尔分数比为1:1~1:4 ;水浴加 热溫度为50~80°C;烘干溫度为100°C~150°C;粉末般烧溫度为850°C~115(TC，般烧时 间为2~5小时。 进一步地，步骤（1)中，溶胶凝胶法制备Ba〇.4Sr。.Ji〇3粉末时，Ti佑化0)4与乙二醇 的摩尔分数比为1:20,Ti(C4HgO)4与巧樣酸的摩尔分数比为1:2 ;水浴加热溫度为70°C;烘 干溫度为120°C;粉末般烧溫度为1050°C，时间为3小时。 进一步地，步骤似中，制备Si〇2包覆Baa.4Sra.eTi〇3粉末时，Bae.4SraeTi〇3粉末表 面处理中使用的稀释的硝酸浓度为0. 5~2mol/L;使用的巧樣酸溶液的浓度为0. 005mol/ L~0. 02mol/L;分散使用的乙醇/去离子水/氨水的混合液中，乙醇、去离子水、氨水按体 积分数比50:10:1混合；Si〇2包覆Bae.4Sre.eTi〇3粉末的般烧溫度为800°C~900°C，时间为 1~4小时。 进一步地，步骤似中，制备Si〇2包覆Baa.4Sra.eTi〇3粉末时，Bae.4SraeTi〇3粉末表 面处理中使用的稀释硝酸浓度为Imol/L;使用的巧樣酸溶液的浓度为0.Olmol/Lmol/L; Si〇2包覆Bae.4Sre.eTi〇3粉末的般烧溫度为850°C，时间为3小时。 进一步地，步骤（3)中，所述的烧结溫度为1050°C，保溫时间为Omin。 阳01引进一步地，步骤（4)中，所述的热处理溫度为1125°C，时间为3小时。 与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：采用本专利技术的制备方法，放电等离子烧 结制备的Ban.4Sr。.Ji〇3@Si〇2陶瓷在室溫下储能密度达可到1. 60J/cm3W上，而同样条件制 备的未包覆Si〇2的Bae.4SraeTi〇3电介质陶瓷的储能密度仅为1. 20J/cm3左右，储能密度提 高了 0. 40J/cm3。本专利技术制备的核壳结构高储能密度电介质陶瓷，可用于高密度储能电容器 等元器件，在大功率和脉冲功率领域有着极大的应用价值。【附图说明】图1为SPS烧结原理图； 阳OW 图 2 为液相法制备核壳结构（lOO-x)mol%Ba〇.4Sr〇.eTi〇3+xmol%Si〇2(x =0, 5,8, 12.W陶瓷粉末透射电镜照片：（a)Ba〇.4Sr〇.eTi〇3(对比例 1) ; (b)95mol%Ba〇.4Sr〇.eTi〇3+5mol%Si〇2(实施例 1) ;(c)92mol%Ba〇.4Sr〇.eTi〇3+8mol%Si〇本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种核壳结构高储能密度电介质陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)溶胶凝胶法制备Ba0.4Sr0.6TiO3粉末：将Ti(C4H9O)4溶于乙二醇，搅拌至澄清；加入柠檬酸，继续搅拌至澄清；再加入BaCO3和SrCO3粉末，滴加质量浓度为65％的HNO3数滴，得到混合溶液；将混合溶液置于水浴中搅拌至黄棕色透明溶胶随后烘箱中烘干，直至溶胶颜色变为深棕色；最后煅烧获得Ba0.4Sr0.6TiO3纳米粉末；(2)利用正硅酸乙酯(TEOS)水解制备SiO2包覆Ba0.4Sr0.6TiO3粉末：将Ba0.4Sr0.6TiO3粉末进行表面处理，具体为：将Ba0.4Sr0.6TiO3粉末加入到稀释的HNO3溶液中，超声振荡后静置，去除上层清液，去离子水洗涤数次；硝酸处理过的Ba0.4Sr0.6TiO3粉末加入到柠檬酸溶液中，超声振荡后静置，去除上层清液；柠檬酸处理后的Ba0.4Sr0.6TiO3粉末分散在乙醇/去离子水/氨水的混合液中，超声振荡后，一边搅拌一边缓慢滴加正硅酸乙酯(TEOS)，加入正硅酸乙酯的量使得柠檬酸处理后的Ba0.4Sr0.6TiO3粉末与SiO2的摩尔比为(100‑x):x；接着加热搅拌至溶剂全部蒸发，剩余粉末烘干后煅烧，获得具有核壳结构的Ba0.4Sr0.6TiO3@SiO2粉末；(3)将步骤2制得的粉料装入模具，利用放电等离子烧结系统在真空环境中1000℃～1050℃进行烧结，制得陶瓷烧结体；(4)空气气氛下，将步骤3制得的陶瓷烧结体1100℃～1150℃处理1～5小时，制得所述核壳结构高储能密度电介质陶瓷。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吴勇军，黄玉辉，陈湘明，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33