一种无铅弛豫反铁电陶瓷储能材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种无铅弛豫反铁电陶瓷储能材料及其制备方法，化学式为(1‑x‑y)(Na0.5Bi0.5)TiO3–x(Sr0.7Bi0.2)TiO3–yMe2O3，其中，Me为La、Sm及Dy中的一种或两种，x及y表示摩尔分数，0.2≤x≤0.7，0.01≤y≤0.2，该材料具有储能密度较高、储能效率高及弛豫化特点，并且制备方法简单。

【技术实现步骤摘要】
一种无铅弛豫反铁电陶瓷储能材料及其制备方法
本专利技术属于储能陶瓷材料
，涉及一种无铅弛豫反铁电陶瓷储能材料及其制备方法。
技术介绍
高储能密度和高可靠性电介质储能材料在各种电力、电子系统中扮演着越来越重要的角色，特别是在高能脉冲功率
有着不可替代的应用。相关器件及产品正朝小型化、轻型化及多功能方向发展，对器件的储能密度提出了更高的要求，而提高器件储能特性的关键在于开发出具有高储能密度、效率与热稳定性良好的电介质材料。目前已有电介质储能材料大致可分为四类，第一类为钛酸钡基材料，相关电容器的生产技术非常成熟且已得到广泛应用，该类材料的特点是介电常数较高，由于材料中缺陷(晶界、孔隙等)和温度的影响，击穿场强较低，通常储能密度低于1J/cm3。第二类为有机薄膜基材料，如聚丙烯薄膜、聚脂薄膜、聚偏氟乙烯膜等，击穿场强非常高，但介电常数很小，使用范围严重受限。第三类为陶瓷与聚合物或玻璃的复合电介质，这类材料具有远超一般应用的击穿场强，主要针对脉冲功率系统，且其批量化生产技术尚不成熟。第四类为反铁电材料，研究主要集中在锆钛酸铅(Pb(Zr,Ti)O3)体系和铌酸银(AgNbO3)体系的储能研究，这类材料在外加电场作用下，会发生反铁电相到铁电相的迅速转变，介电常数表现出强烈的非线性效应，致使其极化强度远超同等强度电场作用下的线性或近线性介质，因此其储能密度远超前三类介质材料，成为现阶段的研究热点，尽管有上述的优点，此类材料储能一般具有较大的能量耗散。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种无铅弛豫反铁电陶瓷储能材料及其制备方法，该材料具有储能密度较高、储能效率高及弛豫化特点，并且制备方法简单。为达到上述目的，本专利技术所述的无铅弛豫反铁电陶瓷储能材料的化学式为(1-x-y)(Na0.5Bi0.5)TiO3–x(Sr0.7Bi0.2)TiO3–yMe2O3，其中，Me为La、Sm及Dy中的一种或两种，x及y表示摩尔分数，0.2≤x≤0.7，0.01≤y≤0.2。x＝0.6,y＝0.15。本专利技术所述无铅弛豫反铁电陶瓷储能材料的制备方法包括以下步骤：1)按照化学式Me2O3进行配料，再将所得原料以无水乙醇为介质进行球磨，干燥后得Me2O3粉末；2)按照化学式(1-x-y)(Na0.5Bi0.5)TiO3–x(Sr0.7Bi0.2)TiO3–yMe2O3进行配料，再将得到的原料以无水乙醇为介质进行球磨，干燥后进行预烧处理，得(1-x-y)(Na0.5Bi0.5)TiO3–x(Sr0.7Bi0.2)TiO3–yMe2O3粉末；3)向步骤2)得到的(1-x-y)(Na0.5Bi0.5)TiO3–x(Sr0.7Bi0.2)TiO3–yMe2O3粉末中加入PVA溶液进行造粒，然后压制成圆片；4)将步骤3)得到的圆片加热并保温，以去除PVA；5)将步骤4)得到的圆片升温至1000-1250℃进行烧结，再降温至900-1100℃并进行保温，最后对圆片的表面进行抛光处理，得无铅弛豫反铁电陶瓷储能材料。步骤1)中球磨的时间为12h，干燥过程中的温度为200℃。步骤2)中PVA溶液的重量百分比溶度为5％。步骤3)中加热的温度为500℃，温度时间为2h。步骤5)中保温的时间为3h。步骤5)中经抛光处理后圆片的厚度为0.2mm。本专利技术具有以下有益效果：本专利技术所述的无铅弛豫反铁电陶瓷储能材料的化学式为(1-x-y)(Na0.5Bi0.5)TiO3–x(Sr0.7Bi0.2)TiO3–yMe2O3，Me为稀土元素La、Sm及Dy中的一种或两种，通过在无铅反铁电NBT-SBT中掺入稀土元素Me，以提高储能密度及储能效率，其原理在于：利用A位异价阳离子来破坏反铁电材料偶极子的长程有序，实现反铁电材料在纳米尺度上的结构不均匀，降低极化强度相对于电场的滞后，从而提高材料的储能效率及储能密度，经试验，基于NBT-SBT-Me体系的储能陶瓷，其储能密度及效率分别达到2.8Jcm-3和98％，同时，该储能陶瓷在-60～120℃范围内表现出良好的稳定性，储能密度变化率小于15％，并且在充放电100万次后器件储能密度仅下降10％，该数据表明本专利技术所述的(1-x-y)(Na0.5Bi0.5)TiO3–x(Sr0.7Bi0.2)TiO3–yMe2O3有望在高能量储能领域得到应用。另外，本专利技术制备时，只需在各原料中加入PVA溶液进行造粒，然后压制成圆片，再去除PVA，然后进行二步烧结，最后进行抛光处理即可，需要说明的是，本专利技术通过分步合成，两步烧结，以获得细小均匀的陶瓷晶粒，且致密度较高，满足不应用的需要。附图说明图1为本专利技术的X光衍射图谱图；图2为本专利技术的扫描电镜图谱图；图3为本专利技术的介电常数及介电损耗随着温度变化图谱图；图4为本专利技术的电滞回线示意图；图5为本专利技术的阻抗图谱示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步详细描述：实施例一本专利技术所述无铅弛豫反铁电陶瓷储能材料的制备方法包括以下步骤：1)根据纯度99.99％的La2O3进行配料，再以无水乙醇为介质球磨12小时，使得稀土元素粒径减小，然后于200℃下进行干燥，得La2O3粉末；2)以纯度99.99％的Bi2O3、99.99％的Na2CO3及99.99％的TiO2为原料，分别称重116.52克、26.63克及80.06克，然后放入球磨罐中球磨混合，球磨过程中，原料的体积：玛瑙球子体积：球磨介子无水乙醇体积等于1：2：4，球磨时间12h，然后将球磨后的原料放入烘箱中并在80℃烘10h。烘干后，将原料利用压片机在0.1Mpa下压片成直径60mm的原料胚体，压完片后的原料胚体放入马弗炉中在800℃下保温3h合成纯钙钛矿结构的(Bi0.5Na0.5)TiO3；3)采用纯度99.99％的Sr2CO3、99.99％的Bi2CO3及99.99％的TiO2为原料，分别称重104.38克、46.61克及80.06克，然后放入球磨罐中球磨混合，球磨时间为12h，最后在烘箱进行烘干，将烘干后的原料在0.1Mpa下压片，压完片后的原料胚体放入马弗炉中在850℃下保温5h合成(Sr0.7Bi0.2)TiO3；4)将步骤1)得到的La2O3、步骤2)得到的(Bi0.5Na0.5)TiO3及步骤3)得到的(Sr0.7Bi0.2)TiO3分别碾碎，再按照0.5(Na0.5Bi0.5)TiO3–0.49(Sr0.7Bi0.2)TiO3–0.01La2O3的化学计量比分别称量La2O3、(Bi0.5Na0.5)TiO3及(Sr0.7Bi0.2)TiO3粉体各3.258克、21.2克及19.9克，然后将La2O3、(Bi0.5Na0.5)TiO3及(Sr0.7Bi0.2)TiO3粉体放入球磨罐中球磨12h，球磨后放入烘箱烘干，然后再将La2O3、(Bi0.5Na0.5)TiO3及(Sr0.7Bi0.2)TiO3的混合粉体在0.1Mpa下压片，随后放入马弗炉中在1050℃保温2h合成0.5(Na0.5Bi0.5)TiO3–0.49(Sr0.7Bi0.2)TiO3–0.01La2O3相结构，将所得的0.5(Na0.5Bi0.5)TiO3–0.49(Sr0.7Bi0.2)TiO3–0.01La2O3块体碾碎球磨烘干本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无铅弛豫反铁电陶瓷储能材料，其特征在于，化学式为(1‑x‑y)(Na0.5Bi0.5)TiO3–x(Sr0.7Bi0.2)TiO3–yMe2O3，其中，Me为La、Sm及Dy中的一种或两种，x及y表示摩尔分数，0.2≤x≤0.7，0.01≤y≤0.2。

【技术特征摘要】
1.一种无铅弛豫反铁电陶瓷储能材料，其特征在于，化学式为(1-x-y)(Na0.5Bi0.5)TiO3–x(Sr0.7Bi0.2)TiO3–yMe2O3，其中，Me为La、Sm及Dy中的一种或两种，x及y表示摩尔分数，0.2≤x≤0.7，0.01≤y≤0.2。2.根据权利要求1所述的无铅弛豫反铁电陶瓷储能材料，其特征在于，x＝0.6,y＝0.15。3.一种权利要求1所述无铅弛豫反铁电陶瓷储能材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)按照化学式Me2O3进行配料，再将所得原料以无水乙醇为介质进行球磨，干燥后得Me2O3粉末；2)按照化学式(1-x-y)(Na0.5Bi0.5)TiO3–x(Sr0.7Bi0.2)TiO3–yMe2O3进行配料，再将得到的原料以无水乙醇为介质进行球磨，干燥后进行预烧处理，得(1-x-y)(Na0.5Bi0.5)TiO3–x(Sr0.7Bi0.2)TiO3–yMe2O3粉末；3)向步骤2)得到的(1-x-y)(Na0.5Bi0.5)TiO3–x(S...

【专利技术属性】
技术研发人员：李景雷，李飞，杨帅，刘金凤，徐卓，张树君，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61