一种宽温稳定储能介质陶瓷及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种宽温稳定储能介质陶瓷及其制备方法：其化学式为(1-x)[0.92(Bi0.5Na0.5)TiO3-0.08BaTiO3]-xNaNbO3，其中x=0.15～0.45。该宽温稳定储能介质陶瓷的制备方法包括以下步骤：（1）以Na2CO3、Bi2O3、BaCO3、Nb2O5和TiO2作为原料配料，将配好的原料放入球磨机中用湿式球磨法混合球磨，并经烘干、预烧得到陶瓷粉体；（2）制备陶瓷生坯；（3）将步骤（2）得到的陶瓷生坯在高温炉中烧结，得到宽温稳定储能介质陶瓷。该方法制备工艺简单，成本低，所制备的储能介质陶瓷材料具有良好的介电常数温度稳定性和较高的储能密度。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术提供：其化学式为(1-x)-xNaNbO3，其中x=0.15～0.45。该宽温稳定储能介质陶瓷的制备方法包括以下步骤：（1）以Na2CO3、Bi2O3、BaCO3、Nb2O5和TiO2作为原料配料，将配好的原料放入球磨机中用湿式球磨法混合球磨，并经烘干、预烧得到陶瓷粉体；（2）制备陶瓷生坯；（3）将步骤（2）得到的陶瓷生坯在高温炉中烧结，得到宽温稳定储能介质陶瓷。该方法制备工艺简单，成本低，所制备的储能介质陶瓷材料具有良好的介电常数温度稳定性和较高的储能密度。【专利说明】
本专利技术属于储能陶瓷
，具体涉及，更具体地，涉及一种以NaNbO3固溶改性的0.92 (Bia5Naa5) TiO3-0.08BaTi03储能介质陶瓷及其制备方法。
技术介绍
随着脉冲功率技术的发展，对脉冲功率设备中储能元件的储能密度提出了更高的要求。与其它储能装置相比，储能电容器因具有放电功率大、利用效率高、储能密度上升空间大等优点，而逐渐成为脉冲功率设备中的储能元件被广泛应用于混合动力汽车等工业领域。储能电容器的研究主要是开发性能优异的电容器介质材料，目前仍然存在两大难题。其一是提高介质材料的储能密度。高储能密度可以使器件小型化，同时节约成本。研究发现，储能密度与储能介质本身的介电常数和击穿强度密切相关，提高材料的介电常数和击穿强 度可以提高其储能密度。其二是提高介质材料的宽温稳定性。因为随着脉冲技术应用的迅速发展，脉冲器件需要在一些极端温度条件下使用，例如在寒冷的地区，器件的工作温度低至零下数十摄氏度；然而在汽车发动机、石油钻井和导弹发射等方面应用时，器件工作温度高达上百摄氏度，这对介质材料的宽温稳定性提出更高的要求，确保器件在零下到高温的整个温度范围内保持储能性能的稳定性。所以开发同时具有高储能密度和宽温稳定性良好的介质材料是脉冲形成技术发展的新要求。0.92 (Bia5Naa5) TiO3-0.08BaTi03 (简称BNTBT)位于准同型相界，在室温下表现出铁电相，在约80°C至270°C表现出反铁电相，在约270°C以上的高温区域表现出顺电相，这种相结构使得它有利于作为宽温稳定的储能介质陶瓷。从介电常数宽温稳定性方面考虑，BNTBT的介电常数温度曲线中表现出两个介电反常峰，这种双峰结构比单峰结构更容易通过改性来展宽，从而得到在较宽温度范围内平坦的介温曲线，提高材料的介电常数温度稳定性。从储能方面考虑，在BNTBT的反铁电相区，材料表现出细长的、束腰的电滞回线，而这种电滞回线对于获得较高的储能密度是十分有利的。但是反铁电相区存在于80°C以上，因此想要使材料在室温下获得较高储能密度，需通过改性将反铁电相区移至室温，使材料在室温下就表现出细长、束腰的电滞回线。Gao 等(Journal of the American Ceramic Society2011;94(12):4382-4386.)探讨了 0.89Bi0.5Na0.5Ti03-0.06BaTi03-0.05K0.5Na0.5Nb03 的储能特性，在室温下电场强度为5.6kV/mm时得到0.46J/cm3的储能密度，因此指出它是一种非常有前景的储能电容器介质陶瓷。人们基于此材料开展了一系列研究，然而在现有研究中，以室温(约25°C)为基准温度，从零下数十摄氏度至零上数百摄氏度范围内介电常数稳定的储能介质陶瓷却未见报道，在保持介质陶瓷高介电常数温度稳定性的同时还需要兼顾高储能密度。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种储能密度高、宽温稳定性良好的介质陶瓷及其制备方法。本专利技术的目的是以下述技术方案实现的:一种宽温稳定储能介质陶瓷，其化学式为(1-x) -XNaNbO3,其中 χ=0.15 ~0.45。该宽温稳定储能介质陶瓷的制备方法包括以下步骤:(I)以 Na2CO3' Bi2O3' BaCO3> Nb2O5 和 TiO2 作为原料，根据化学式(l_x)-XNaNbO3 中金属元素化学计量比配料，其中 x=0.15 ~0.45，将配好的原料放入球磨机中用湿式球磨法混合球磨，并经烘干、预烧得到陶瓷粉体；(2)将步骤(1)所得陶瓷粉体球磨，烘干、研磨、过筛，然后采用干压成型得到陶瓷生坯；(3)将步骤(2)得到的陶瓷生坯在高温炉中烧结，得到宽温稳定储能介质陶瓷。按上述方案，步骤(1)所述用湿式球磨法混合球磨是用氧化锆球和无水乙醇作为介质，混合球磨22~26小时；步骤(1)所述预烧是室温下以2°C /min的升温速率升温至800~900°C，保温2~3h，随炉自然冷却。优选的是，步骤(1)所述原料纯度≥98.5%。按上述方案，步骤(2)所述球磨是用氧化锆球和无水乙醇作为介质，混合球磨22~26小时；所述过筛是过60~100目筛；所述干压成型的压力大小为150~200MPa。按上述方案，步骤(1)和步骤(2)所述烘干是在80~100°C温度下保温12~24h。按上述方案，步骤(3)所述在高温炉中烧结是室温下以4°C /min的升温速率升温至1000°C，随后以2°C /min的升温速率升温至1080~1150下保温2~3小时，随炉自然冷却。本专利技术还提供上述宽温稳定储能介质陶瓷加工得到的储能介质陶瓷元件，其储能密度为1.21~1.70J/cm3，储能效率为58.0~68.8%。优选的是，上述宽温稳定储能介质陶瓷加工得到的储能介质陶瓷元件分别在-3 ~354°C (χ=0.15)、-31 ~178°C (χ=0.35)、_55 ~162°C (χ=0.45)温度范围内满足容温变化率I Δ C/C25V I≤15%，即介电常数稳定。在该(1-x)-XNaNbO3 (x=0.15 ~0.45)宽温稳定储能介质陶瓷的制备中，我们的实验结果是:少量NaNbO3的加入不能压低高温介电反常峰，即不能达到使介温谱变平坦的目的，因此不能提高介电常数温度稳定性；过量NaNbO3的加入会使介电反常峰移至0°C以下，随温度升高，介电常数急剧下降，此时高温方向的介电常数温度稳定性恶化。本专利技术通过控制NaNbO3的加入量，获得了一种储能密度高、宽温稳定性良好的介质陶瓷。本专利技术的有益效果是:1.通过控制NaNbO3的固溶掺杂量，克服单一组分的0.92 (Bi0.5Na0.5)TiO3-0.08BaTi03陶瓷介电常数温度稳定性较差的缺点，所制备的储能介质陶瓷在_3~3540C (χ=0.15)、-31 ~178°C (χ=0.35)、-55 ~162°C (χ=0.45)温度范围内满足容温变化率I AC/C25r: I≤15%，介电常数温度稳定性良好，满足一般电容器工作的温度稳定性需求。2.采用 NaNbO3 固溶改性 0.92 (Bi0.5Na0.5) TiO3-0.08BaTi03,得到的陶瓷材料铁电性降低，并且具有细长的电滞回线，同时材料的击穿强度增加，这两方面原因使本专利技术制备的陶瓷材料具有优异的储能性能(储能密度达到1.21~1.70J/cm3，储能效率达58.0~68.8%) ο3.本专利技术所用原料中不含稀土元素和贵金属元素，成本较低；且原料中不含铅，对环境无害。陶瓷制备过程中烧结温度较低(1080~115本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种宽温稳定储能介质陶瓷，其特征在于：其化学式为(1‑x)[0.92(Bi0.5Na0.5)TiO3‑0.08BaTiO3]‑xNaNbO3，其中x=0.15～0.45。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘韩星，许琪，郝华，曹明贺，李天明，尧中华，余志勇，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42