一种铌酸银基陶瓷及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种铌酸银基陶瓷及其制备方法，通过高温固相反应法在氧气气氛中制得了铌酸银基陶瓷粉末，然后得用传统固相法进行烧结，制得了铌酸银基陶瓷，该陶瓷材料的储能密度可达4.6J/cm

A Silver Niobate-based Ceramic and Its Preparation Method and Application

The invention discloses a silver-based niobate ceramic and its preparation method. Silver-based niobate ceramic powder is prepared by high temperature solid-state reaction in oxygen atmosphere, and then sintered by traditional solid-state method to produce silver-based niobate ceramic. The energy storage density of the ceramic material can reach 4.6J/cm.

【技术实现步骤摘要】
一种铌酸银基陶瓷及其制备方法和应用
本专利技术涉及介电储能陶瓷材料，具体涉及一种铌酸银基陶瓷及其制备方法和应用。
技术介绍
人类社会的发展对能源需求量越来越大，提高各类能源使用效率显得尤为重要。相较于其他电能存储装置(如化学电池、燃料电池等)，介电储能电容器的有效储能密度高，充放电速率快，并且循环老化速度缓慢。并且，介电储能电容器在高温高压等极端环境中性能稳定，因此在先进电力电子
有重要的实用价值。商用的介电电容器一般以介电聚合物或介电陶瓷作为主要材料，他们的能量密度一般小于2J/cm3。高储能密度电容器被广泛应用于能源发电系统等民用装置、军事化武器、电气化发射平台等军用方面。电气化发射平台工作电流高达100kA，电压高达1MV。因此，提高介电材料储能特性进而实现设备的小型集成化显得尤为重要。传统的PLZST反铁电储能介质陶瓷具有优良的储能特性(可释放储能密度高达6.4J/cm3)，但是由于该体系陶瓷含有大量的有毒物质铅，在生产、使用及后处理过程中会对人类身体健康及环境造成严重伤害。2007年日本的Fu等人在AgNbO3:Alead-freematerialwithlargepolarizationandelectromechanicalresponse一文中发现，AgNbO3陶瓷在180kV/cm的电场条件下可以发生反铁电到铁电相的转变，出现双电滞回线。在电场强度达到220kV/cm时，其饱和极化强度可达52μC/cm2。但是Fu等人仅仅只对该陶瓷的极化强度和机电响应进行了研究，并未提出用该类陶瓷进行介电储能研究。正是由于其具有高饱和极化强度、低剩余极化强度和高击穿电场强度，2016年Tian等人在Highenergydensityinsilverniobateceramics一文中首次提出将该材料作为反铁电储能介质材料，并在单项纯AgNbO3陶瓷中于175kV/cm条件下获得了2.1J/cm3的可释放储能密度。虽然该陶瓷在单项无铅反铁电陶瓷中具有可观的储能密度，但是相比较于含铅的反铁电储能陶瓷而言，其储能密度依然很低，这对于介电储能电容器的小型集成化不利。因此，为满足环境保护和人类健康的需求，且进一步提高无铅反铁电储能陶瓷的储能性能，研究开发性能优良的无铅反铁电储能介质陶瓷是一项紧迫且具有实际意义的课题。Tian等人在Phasetransitionsinbismuth-modifiedsilverniobateceramicsforhighpowerenergystorage一文中，通过A位掺杂La，成功制备得到了铌酸银基无铅反铁电储能陶瓷，其储能密度为2.6J/cm3。Zhao等人在Lead-freeAgNbO3anti-ferroelectricceramicswithanenhancedenergystorageperformanceusingMnO2modification；Silverniobatelead-freeantiferroelectricceramics:enhancingenergystoragedensitybyB-Sitedoping；Lead-Freeantiferroelectricsilverniobatetantalatewithhighenergystorageperformance文中通过B位掺杂Mn4+,W6+以及Ta5+等，也成功制备得到了铌酸银基无铅反铁电储能陶瓷，其获得的储能密度分别为2.9J/cm3、3.3J/cm3、4.2J/cm3。但上述掺杂方式得到的铌酸银基无铅反铁电储能陶瓷的储能密度相较于铅系反铁电储能陶瓷，有待于进一步提高。
技术实现思路
本专利技术的第一个目的在于提供一种具有高介电常数、高抗击穿电场、高能量密度的铌酸银基陶瓷。本专利技术的第二个目的在于提供一种铌酸银基陶瓷的制备方法。本专利技术的第三个目的在于提供一种铌酸银基陶瓷的应用。本专利技术的第四个目的在于提供一种绝缘电介质的应用。本专利技术的第五个目的在于提供一种电容器的制备。本专利技术一种铌酸银基陶瓷，掺杂有Bi(Zn2/3Nb1/3)O3。专利技术人通过研究发现，Bi离子与Ag离子的半径相似，向铌酸银基陶瓷中掺入Bi，可实现Bi掺杂A位的Ag。而且Bi的6p轨道与O的2p轨道之间存在杂交，因此，掺Bi可以提高铌酸银基陶瓷的饱和极化。本专利技术通过进一步研究发现，向铌酸银基陶瓷中掺杂Bi(Zn2/3Nb1/3)O3(BZN)化合物，Bi会掺杂A位的Ag，Zn会掺杂B位的Nb，从而可实现铌酸银基陶瓷A位和B位共掺杂，增强铌酸银基陶瓷的反铁电性能，加之BZN对陶瓷晶粒的细化作用，导致陶瓷介电击穿场强的提高，从而使铌酸银陶瓷的储能性能得以提高。所述铌酸银基陶瓷的结构式为(1-x)AgNbO3-xBi(Zn2/3Nb1/3)O3，其中0＜x≤0.03。该铌酸银基无铅反铁电陶瓷具有以下化学通式，(1-x)AgNbO3-xBi(Zn2/3Nb1/3)O3，简写为(1-x)AN-xBZN，0＜x≤0.03。专利技术人通过研究发现，当x大于0.03时，由于样品致密度和样品质量等问题，在高电场(大于230kV/cm)条件下不能测试出其反铁电性能。当x大于0.05时，会有杂相析出。所述铌酸银基陶瓷在180kV/cm～230kV/cm的电场下获得的可释放储能密度为1.9J/cm3～4.6J/cm3。所述铌酸银基陶瓷在180kV/cm～230kV/cm的电场下获得的储能效率为31.2％～68.1％。本专利技术能在220kV/cm的电场条件下，得到具有可释放储能密度为4.6J/cm3，储能效率为57.5％的铌酸银基陶瓷。本专利技术一种铌酸银基陶瓷的制备方法，包括如下步骤：(1)配料混合：将银源、铌源、铋源和锌源混合，得到粉体A；(2)预烧：将粉体A预烧，球磨破碎，得到粉体B；(3)造粒、成型：将粉料B与造粒剂混合后造粒，成型，得到陶瓷生坯片；(4)排胶、烧结：将步骤(3)得到的陶瓷生坯片排胶，烧结，得到所述铌酸银基陶瓷。优选的，步骤(1)中将银源、铌源、铋源和锌源混合，经球磨，干燥、过筛，得到粉体A。进一步优选的，步骤(1)中所述银源包括Ag2O。所述铌源包括Nb2O5。所述铋源包括Bi2O3。所述锌源包括ZnO。优选的，步骤(2)中将粉体A预烧，球磨破碎，经干燥，过筛，得到粉体B。进一步优选的，步骤(1)和步骤(2)中所述球磨的介质包括无水乙醇。磨球的粒径为2～8mm。球料质量比为(5～10)﹕1。粉体与球磨介质的质量比约为1﹕(1～1.5)。球磨转速为250～300r/min。球磨的时间为12-24h。进一步优选的，步骤(2)中粉体B的粒径小于300nm。进一步优选的，步骤(1)和步骤(2)中的干燥的温度为80℃～120℃。优选为90-110℃。进一步优选为100-105℃。干燥时间为12-36h。干燥的时间优选为20-26h。进一步优选的，步骤(2)中的预烧温度为800～900℃。优选为830-860℃。预烧的气氛包括氧气。所述氧气的流量为0.4-0.6L/min。预烧的时间为3-6h。进一步优选的，步骤(1)和(2)中所述的过筛为过120-180目筛；优选的，步骤(3)中将粉料B与造粒剂混合后造粒，干燥，陈化后成型，得到陶瓷生本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铌酸银基陶瓷，其特征在于：掺杂有Bi(Zn2/3Nb1/3)O3。

【技术特征摘要】
1.一种铌酸银基陶瓷，其特征在于：掺杂有Bi(Zn2/3Nb1/3)O3。2.如权利要求1所述的铌酸银基陶瓷，其特征在于：所述铌酸银基陶瓷的结构式为(1-x)AgNbO3-xBi(Zn2/3Nb1/3)O3，其中0＜x≤0.03。3.如权利要求1或2所述的铌酸银基陶瓷，其特征在于：所述铌酸银基陶瓷在180kV/cm～230kV/cm的电场下获得的可释放储能密度为1.9J/cm3～4.6J/cm3，获得的储能效率为31.2％～68.1％。4.基于权利要求1-3任一项所述的铌酸银基陶瓷的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)配料混合：将银源、铌源、铋源和锌源混合，得到粉体A；(2)预烧：将粉体A预烧，球磨破碎，得到粉体B；(3)造粒、成型：将粉料B与造粒剂混合后造粒，成型，得到陶瓷生坯片；(4)排胶、烧结：将步骤(3)得到的陶瓷生坯片排胶，烧结，得到所述铌酸银基陶瓷。5.如权利要求4所述的铌酸银基陶瓷的制备方法，其特征在于：优选的，步骤(1)中将银源、铌源、铋源和锌源混合，经球磨，干燥、过筛，得到粉体A；进一步优选的，步骤(1)中所述银源包括Ag2O，所述铌源包括Nb2O5，所述铋源包括Bi2O3，所述锌源包括ZnO；优选的，步骤(2)中将粉体A预烧，球磨破碎，经干燥，过筛，得到粉体B；进一步优选的，步骤(1)和步骤(2)中所述球磨的介质包括无水乙醇，磨球的粒径为2～8mm，球料质量比为(5～10)﹕1，粉体与球磨介质的质量比约为1﹕(1～1.5)，球磨转速为250～300r/min；进一步优选的，步骤(2)中粉体B的粒径小于300nm；进一步优选的，步骤(1)和步骤(2)中的干燥的温度为80℃～120℃；优选为90-1...

【专利技术属性】
技术研发人员：张斗，晏忠钠，周学凡，罗行，周科朝，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43