一种铌酸锶基类反铁电陶瓷及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供一种铌酸锶基类反铁电陶瓷及其制备方法和应用，涉及一种铌酸锶基类反铁电陶瓷材料，所述陶瓷材料的化学成分符合化学通式：(Sr1‑xPbx)2Nb2O7，其中0.01≤x≤0.05，x为摩尔百分比。

A strontium Niobate-based antiferroelectric ceramics and its preparation method and Application

The invention provides a strontium Niobate-based antiferroelectric ceramic and its preparation method and application, which relates to a strontium Niobate-based antiferroelectric ceramic material. The chemical composition of the ceramic material conforms to the general chemical formula: (Sr1_xPbx) 2Nb2O7, in which 0.01 < x < 0.05, x is a molar percentage.

【技术实现步骤摘要】
一种铌酸锶基类反铁电陶瓷及其制备方法和应用
本专利技术属于储能陶瓷领域，涉及一种铌酸锶基钙钛矿层状结构的类反铁电陶瓷材料及其制备方法。
技术介绍
随着脉冲技术的发展，机械能储能、电化学储能和电容器储能这三种能量储存方式成为脉冲功率装置的能量储存系统的核心技术。其中，介电储能电容器由于具有高储能密度、快速能量释放、高稳定性和小型化等优点，在脉冲功率应用中发挥至关重要的作用。介电储能电容器分为线性电介质、铁电电介质、弛豫电介质和反铁电电介质。由于反铁电材料具有双电滞回线，其积分计算得出的储能密度在四种电介质材料中最高，近年来反铁电陶瓷材料在介电储能领域快速发展。目前，国内外对反铁电储能材料集中在高储能密度的锆钛镧锡酸铅(PLZST)陶瓷、钛酸铋钠基(BNT)陶瓷和铌酸银陶瓷。然而，目前存在的这些反铁电陶瓷材料温度稳定性差，材料不能满足高温下使用。Xu等通过研究的PLZST反铁电陶瓷材料发现，当温度由室温升高至140℃，储能密度急剧下降(J.Am.Ceram.Soc.,99,2016:2984-2988)。Zhao等人在AgNbO3陶瓷中掺杂Ta改性将提高了能量密度，然而其温度稳定范围只为20～120℃(Adv.Mater.,29,2017:1701824)。究其原因，钙钛矿结构拥有丰富的相结构，升高温度易发生结构相变，导致反铁电相转变成铁电相或者顺电相。因此，需要开发一些居里温度高，相结构单一的非钙钛矿结构的反铁电材料。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的在于提供一种具有类反铁电效应且温度稳定性优异的铌酸锶基陶瓷材料及其制备方法和应用。一方面，本专利技术提供一种铌酸锶基类反铁电陶瓷材料，其化学成分符合化学通式：(Sr1-xPbx)2Nb2O7，其中0.01≤x≤0.05，x为摩尔百分比。根据本专利技术，采用二价铅离子取代铌酸锶(Sr2Nb2O7)钙钛矿层状结构中的A位的锶离子，调整钙钛矿层状结构中金属原子的位移形成局部反平行自发极化，得到类反铁电效应。测得其双电滞回线和四电流峰，剩余极化值Pr和最高极化值Pm分别可为～0.2μC/cm2(0.1～0.3μC/cm2)和～2.6μC/cm2(2.4～2.8μC/cm2)，最高施加电场可达28kV/mm。同时，双电滞回线和四电流峰的现象可以从室温稳定到200℃，宽温下的类反铁电行为有利于在介电储能电容器中的研制与运用。第二方面，本专利技术提供上述铌酸锶基类反铁电陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：将锶源、铌源和铅源按化学计量比混合均匀，煅烧合成陶瓷粉体；将陶瓷粉体成型、烧结，得到所述陶瓷材料。本专利技术通过固相反应工艺制备出二价铅离子改性的铌酸锶钙钛矿层状结构的类反铁电陶瓷，工艺简单、参数易控、成本低廉，易于工业化生产。优选地，锶源为SrCO3，铌源为Nb2O5，铅源为PbO和/或Pb3O4。优选地，所述煅烧的温度为1000～1300℃，保温时间为0～24小时。优选地，所述烧结的温度为1300～1450℃，保温时间为0～24小时。第三方面，本专利技术提供一种铌酸锶基类反铁电陶瓷元件，其使用上述任一铌酸锶基类反铁电陶瓷材料制得。优选地，所述陶瓷元件通过将所述陶瓷材料加工成所需尺寸后被银、烧银制得。第四方面，本专利技术提供一种介电储能电容器，其含有上述任一铌酸锶基类反铁电陶瓷材料。根据本专利技术，可以提供具有类反铁电效应且温度稳定性优异的铌酸锶基陶瓷材料。附图说明图1是室温10Hz下(Sr1-xPbx)2Nb2O7(x＝0.01,0.05)电滞回线(P-E)和电流回线(I-E)，其中左图为x＝0.01，右图为x＝0.05。图2是200℃和10Hz下(Sr1-xPbx)2Nb2O7(x＝0.01,0.05)电滞回线(P-E)和电流回线(I-E)，其中左图为x＝0.01，右图为x＝0.05。图3是实施例1、实施例2所得陶瓷材料的XRD图。图4是对比例1所得的陶瓷材料分别在室温和200℃下的电滞回线(P-E)和电流回线(I-E)，其中左图为室温，右图为200℃。图5是对比例2所得的陶瓷材料分别在室温和200℃下的电滞回线(P-E)和电流回线(I-E)，其中左图为室温，右图为200℃。具体实施方式以下结合附图和下述实施方式进一步说明本专利技术，应理解，附图和下述实施方式仅用于说明本专利技术，而非限制本专利技术。在此公开一种铌酸锶基陶瓷材料，其化学式为(Sr1-xPbx)2Nb2O7，其中0.01≤x≤0.05，x为摩尔百分比。该铌酸锶基陶瓷材料可为钙钛矿层状结构，结构特征是由不连续的钙钛矿层组成的结构单元。通过二价铅离子掺杂调控微结构，可以在钙钛矿层状结构的铌酸锶铁电体中得到类反铁电效应。所谓“类反铁电效应”是指介于反铁电性和铁电性的中间状态，具有场致反铁电-铁电相变但是剩余极化不为零的效应(ActaMater.,154,2018:190-198)。该铌酸锶基陶瓷材料在室温25℃和10Hz的测试条件下，随着施加电场的提高，P-E曲线(极化强度-电场曲线)呈现明显的双电滞回线现象，I-E(电流-电场曲线)曲线呈现明显的四电流峰。该铌酸锶基陶瓷材料的剩余极化值Pr和最高极化值Pm分别为～0.2μC/cm2和～2.6μC/cm2，最高施加电场达28kV/mm。同时，双电滞回线和四电流峰的现象可以从室温稳定到200℃。本公开的铌酸锶基陶瓷材料与现有的反铁电陶瓷材料相比，显著提升了温度稳定性，温度稳定范围为20～200℃。这种宽温下的类反铁电行为有利于在介电储能电容器中的研制与运用。关于二价铅离子的掺杂量，如果x小于0.01，则无法测得具有双电滞回线和四电流峰的类反铁电现象；如果x大于0.05，则具有双电滞回线和四电流峰的类反铁电现象变得不明显。本公开的铌酸锶基陶瓷材料的制备方法不限，可以通过常规的固相反应工艺制备，例如可包括配料、混料、合成、细磨、成型、排塑、烧结等步骤。以下，示例性说明铌酸锶基陶瓷材料的制备方法。首先，固相法制备陶瓷粉体。具体而言，将锶源、铌源和铅源按(Sr1-xPbx)2Nb2O7化学计量比混合均匀，煅烧合成陶瓷粉体。锶源可选自SrCO3。铌源可选自Nb2O5。铅源可选自PbO、Pb3O4等。可采用湿式球磨法将各原料混合均匀。原料:球:酒精的质量比可为1:2:(1.8～2.0)。球磨介质可为玛瑙球等。球磨时间可为2～8小时(例如4小时)，转速可为240～480转/分钟(例如360转/分钟)。合成温度可为1000～1300℃。优选地，以不高于2℃/min的升温速率升温至合成温度，这样可以使反应充分发生，Pb2+易于进入A位。在合成温度下的保温时间可为24小时以下，例如1～3小时。煅烧后，可随炉冷却至室温。然后，可将陶瓷粉体细磨。细磨方法可为湿式球磨法。原料:球:酒精的质量比可为1:2:(1.6～1.8)。球磨介质可为玛瑙球等。球磨时间可为2～8小时(例如4小时)，转速可为240～480转/分钟(例如360转/分钟)。细磨后可烘干、造粒。造粒时所采用的粘结剂例如可为聚乙烯醇(PVA)等。粘结剂的加入量可为陶瓷粉料重量的5～7wt.％。造粒后可以陈化一段时间。然后，可将陶瓷颗粒压制成型，然后升温排塑，得到陶瓷坯体。压制压力可为1～3MPa。排塑条件可为：以不高于2℃/min的升温速率升温至700本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铌酸锶基类反铁电陶瓷材料，其特征在于，所述陶瓷材料的化学成分符合化学通式：(Sr1‑xPbx)2Nb2O7，其中0.01≤x≤0.05，x为摩尔百分比。

【技术特征摘要】
1.一种铌酸锶基类反铁电陶瓷材料，其特征在于，所述陶瓷材料的化学成分符合化学通式：(Sr1-xPbx)2Nb2O7，其中0.01≤x≤0.05，x为摩尔百分比。2.根据权利要求1所述的铌酸锶基类反铁电陶瓷材料，其特征在于，所述陶瓷材料在25℃和10Hz的测试条件下，P-E曲线呈现双电滞回线现象，I-E曲线呈现四电流峰，剩余极化值Pr为0.1～0.3μC/cm2，最高极化值Pm为2.4～2.8μC/cm2，最高施加电场为28kV/mm。3.根据权利要求1或2所述的铌酸锶基类反铁电陶瓷材料，其特征在于，所述陶瓷材料在在200℃下具有双电滞回线和四电流峰的类反铁电效应。4.一种权利要求1至3中任一项所述的铌酸锶基类反铁电陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将锶源、铌源和铅源按化学计量比混合均匀，煅烧合成陶...

【专利技术属性】
技术研发人员：董显林，陈涛，周志勇，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31