一种钛酸铋钠基高储能密度陶瓷材料及其制备方法技术

一种钛酸铋钠基高储能密度陶瓷材料及其制备方法，首先按照化学式Bi0.5‑xLax(Na0.82K0.18)0.5(Al0.5Nb0.5)0.08Ti0.9Zr0.02O3进行配料，其中x表示La

Bismuth sodium bismuth based high energy storage density ceramic material and preparation method thereof

A bismuth sodium titanate based ceramics material with high energy storage density and its preparation method are described. Firstly, the material is proportioned according to the chemical formula Bi0.5 xLax (Na0.82K0.18) 0.5 (Al0.5Nb0.5) 0.08Ti0.9Zr0.0203, where x denotes La.

【技术实现步骤摘要】
一种钛酸铋钠基高储能密度陶瓷材料及其制备方法
本专利技术属于储能陶瓷领域，具体是一种钛酸铋钠基高储能密度陶瓷材料及其制备方法。
技术介绍
随着信息技术的不断发展，目前储能元件不断向高电压，大电流和高储能密度方向的发展，储能介质也不断向更高的介电性能的方向发展。按照这一发展趋势，制备出高介电常数，高击穿强度的储能介质材料成了储能介质材料发展的目标。线性电介质、铁电材料和反铁电材料是目前三种典型的用于储能的陶瓷电介质。在这些储能材料中，线性电介质拥有小的介电常数和高的击穿电场，然而他的饱和极化强度太低，导致储能密度不高；反铁电体更有可能被用于高能量储存，因为它们的饱和极化强度更大，更小的剩余极化强度和合适的击穿电场。然而，大多数的反铁电材料都是含铅的材料，它们对环境不友好。随着环境质量的提高和人类健康的要求，那些对环境有害的材料需要用无铅材料代替。作为有毒含铅储能陶瓷材料的替代品，铁电材料Bi0.5Na0.5TiO3(BNT)陶瓷，最近受到了极大的关注，因为它具有大的饱和极化强度和强大的介电性能，且BNT中的Bi3+与Pb2+具有类似的孤对电子6s2配置。因此，通过合适的掺杂可以获得高储能密度的陶瓷材料。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种钛酸铋钠基高储能密度陶瓷材料及其制备方法，这种陶瓷材料的储能密度以及介电常数的温度稳定性优异，并且具有环境友好、实用性高等特性。为实现上述目的，本专利技术采用如下的技术方案：一种钛酸铋钠基高储能密度陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：(1)按照化学式Bi0.5-xLax(Na0.82K0.18)0.5(Al0.5Nb0.5)0.08Ti0.9Zr0.02O3进行配料并混合均匀，得到原料粉体，其中x表示La3+的摩尔分数，且0≤x≤0.08；以无水乙醇为介质，经球磨、干燥、预烧后获得粉体A；(2)流延浆料的制备：将有机溶剂和乳化剂混合均匀，然后加入步骤(1)获得的粉体A、粘结剂、分散剂和增塑剂，并混合均匀，得到流延浆料；(3)生坯的制备：将步骤(2)中获得的流延浆料采用流延成型的方法进行流延成型，然后叠加，并在150～200MPa压力下进行加压，得到陶瓷材料生坯；(4)将步骤(3)制备的陶瓷材料生坯试样进行排胶处理，然后烧结成瓷，得到钛酸铋钠基高储能密度陶瓷材料。本专利技术进一步的改进在于，Bi0.5-xLax(Na0.82K0.18)0.5(Al0.5Nb0.5)0.08Ti0.9Zr0.02O3粉体通过以下过程制得：按化学式Bi0.5-xLax(Na0.82K0.18)0.5(Al0.5Nb0.5)0.08Ti0.9Zr0.02O3，将Bi2O3、La2O3、Na2CO3、K2CO3、Al2O3、Nb2O5、TiO2和ZrO2混合均匀，然后过筛，再经800～850℃预烧4～5小时，得到块状固体，然后将块状固体粉碎后球磨过120目筛，得到Bi0.5-xLax(Na0.82K0.18)0.5(Al0.5Nb0.5)0.08Ti0.9Zr0.02O3粉体；其中x表示La3+的摩尔分数，且0≤x≤0.08。本专利技术进一步的改进在于，0.02≤x≤0.08。本专利技术进一步的改进在于，0.02≤x≤0.06。本专利技术进一步的改进在于，0.02≤x≤0.04。本专利技术进一步的改进在于，将Bi2O3、La2O3、Na2CO3、K2CO3、Al2O3、Nb2O5、TiO2和ZrO2混合均匀的具体过程是：以无水乙醇为介质，通过球磨进行的，并且球磨时间为20～24小时，球磨后烘干。本专利技术进一步的改进在于，步骤(2)中有机溶剂为丁酮、无水乙醇与三油酸甘油酯的混合物；粘结剂为聚乙烯醇缩丁酯，分散剂为邻苯二甲酸二丁酯，增塑剂为聚乙二醇。本专利技术进一步的改进在于，丁酮、无水乙醇、三油酸甘油酯、聚乙烯醇缩丁酯、邻苯二甲酸二丁酯、聚乙二醇与粉体的比为(9～9.5)g：(4～5)g：(0.3～0.35)g：(0.9～0.95)g：(0.3～0.35)g：(0.3～0.35)g：(8.5～9.5)g。本专利技术进一步的改进在于，步骤(4)中的排胶处理具体过程是在550～600℃保温12～14小时。本专利技术进一步的改进在于，步骤(4)中烧结的温度为1150～1200℃，时间为2～3小时。一种钛酸铋钠基高储能密度陶瓷材料，该钛酸铋钠基高储能密度陶瓷材料的化学式为：Bi0.5-xLax(Na0.82K0.18)0.5(Al0.5Nb0.5)0.08Ti0.9Zr0.02O3；其中x表示La3+的摩尔分数，且0≤x≤0.08。本专利技术进一步的改进在于，该陶瓷材料在室温下，储能密度为1.32～2.32J/cm3。与现有技术相比，本专利技术具有的有益效果：本专利技术按照化学式Bi0.5-xLax(Na0.82K0.18)0.5(Al0.5Nb0.5)0.08Ti0.9Zr0.02O3进行配料，混合均匀后进行流延，然后在模具中压制成型，排胶处理后烧结，即可得到钛酸铋钠基高储能密度陶瓷材料。本专利技术通过控制La3+的摩尔分数，克服了大多数陶瓷介质材料介电常数温度稳定性较差、介电损耗较大的缺点，所制备的储能陶瓷介质材料的介电常数在80～250℃范围内具有良好的温度稳定性且介电损耗均小于0.10，在80～360℃范围内介电常数变化率小于±15％，适用于较宽的工作温度、频率范围和应用领域。同时，在室温下(25℃)得到了细长、回形面积小的电滞回线，获得了优异的储能密度，储能密度达到1.32～2.32J/cm3。此外，本专利技术所用原料中不含铅，对环境无污染，且所用原料中不含贵金属元素，制备工艺简单、稳定性好、致密度高，可满足不同应用的需求，所涉及的原料价格便宜，适合工业化生产，有望作新一代环境友好的储能陶瓷介质材料。本专利技术材料的储能特性优异，基于电滞回线计算，该陶瓷材料在室温下的储能密度可达2.3J/cm3左右，可适用于多种应用领域。附图说明图1为实施例1所制备的钛酸铋钠基高储能密度陶瓷材料的XRD图谱；图2为实施例2所制备的钛酸铋钠基高储能密度陶瓷材料的XRD图谱；图3为实施例3所制备的钛酸铋钠基高储能密度陶瓷材料的XRD图谱；图4为实施例4所制备的钛酸铋钠基高储能密度陶瓷材料的XRD图谱；图5为实施例1所制备的钛酸铋钠基高储能密度陶瓷材料的SEM图；图6为实施例2所制备的钛酸铋钠基高储能密度陶瓷材料的SEM图；图7为实施例3所制备的钛酸铋钠基高储能密度陶瓷材料的SEM图；图8为实施例4所制备的钛酸铋钠基高储能密度陶瓷材料的SEM图；图9为实施例1所制备的钛酸铋钠基高储能密度陶瓷材料在室温下的电滞回线图(测试频率为10Hz)；图10为实施例2所制备的钛酸铋钠基高储能密度陶瓷材料在室温下的电滞回线图(测试频率为10Hz)；图11为实施例3所制备的钛酸铋钠基高储能密度陶瓷材料在室温下的电滞回线图(测试频率为10Hz)；图12为实施例4所制备的钛酸铋钠基高储能密度陶瓷材料在室温下的电滞回线图(测试频率为10Hz)；图13为实施例1所制备的钛酸铋钠基高储能密度陶瓷材料在不同测试频率下的介温图谱；图14为实施例2所制备的钛酸铋钠基高储能密度陶瓷材料在不同测试频率下的介温图谱；图15为实施例3所制备的钛酸铋钠基高储能密度陶瓷材料在不同测试频率下本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种钛酸铋钠基高储能密度陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)按照化学式Bi0.5‑xLax(Na0.82K0.18)0.5(Al0.5Nb0.5)0.08Ti0.9Zr0.02O3进行配料并混合均匀，得到原料粉体，其中x表示La3+的摩尔分数，且0≤x≤0.08；以无水乙醇为介质，经球磨、干燥、预烧后获得粉体A；(2)流延浆料的制备：将有机溶剂和乳化剂混合均匀，然后加入步骤(1)获得的粉体A、粘结剂、分散剂和增塑剂，并混合均匀，得到流延浆料；(3)生坯的制备：将步骤(2)中获得的流延浆料采用流延成型的方法进行流延成型，然后叠加，并在150～200MPa压力下进行加压，得到陶瓷材料生坯；(4)将步骤(3)制备的陶瓷材料生坯试样进行排胶处理，然后烧结成瓷，得到钛酸铋钠基高储能密度陶瓷材料。

【技术特征摘要】
1.一种钛酸铋钠基高储能密度陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)按照化学式Bi0.5-xLax(Na0.82K0.18)0.5(Al0.5Nb0.5)0.08Ti0.9Zr0.02O3进行配料并混合均匀，得到原料粉体，其中x表示La3+的摩尔分数，且0≤x≤0.08；以无水乙醇为介质，经球磨、干燥、预烧后获得粉体A；(2)流延浆料的制备：将有机溶剂和乳化剂混合均匀，然后加入步骤(1)获得的粉体A、粘结剂、分散剂和增塑剂，并混合均匀，得到流延浆料；(3)生坯的制备：将步骤(2)中获得的流延浆料采用流延成型的方法进行流延成型，然后叠加，并在150～200MPa压力下进行加压，得到陶瓷材料生坯；(4)将步骤(3)制备的陶瓷材料生坯试样进行排胶处理，然后烧结成瓷，得到钛酸铋钠基高储能密度陶瓷材料。2.根据权利要求1所述的一种钛酸铋钠基高储能密度陶瓷材料的制备方法，其特征在于，Bi0.5-xLax(Na0.82K0.18)0.5(Al0.5Nb0.5)0.08Ti0.9Zr0.02O3粉体通过以下过程制得：按化学式Bi0.5-xLax(Na0.82K0.18)0.5(Al0.5Nb0.5)0.08Ti0.9Zr0.02O3，将Bi2O3、La2O3、Na2CO3、K2CO3、Al2O3、Nb2O5、TiO2和ZrO2混合均匀，然后过筛，再经800～850℃预烧4～5小时，得到块状固体，然后将块状固体粉碎后球磨过120目筛，得到Bi0.5-xLax(Na0.82K0.18)0.5(Al0.5Nb0.5)0.08Ti0.9Zr0.02O3粉体；其中x表示La3+的摩尔分数，且0≤x≤0.08。3.根据权利要求2所述的一种钛酸铋钠基高储能密...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨海波，刘鹏飞，林营，闫非，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61