一种高电卡效应铌酸锶钡陶瓷的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高电卡效应铌酸锶钡陶瓷的制备方法，该方法首先将原料BaCO3，SrCO3和Nb2O5按SrxBa1‑xNb2O6化学式配料，其中x＝0.4，0.5或0.6，得到SrxBa1‑xNb2O6粉料。采用放电等离子烧结系统在真空环境中1000℃～1050℃烧结，制备得到陶瓷烧结体，最后将陶瓷烧结体在空气中965～980℃下热处理3小时，制得高电卡效应铌酸锶钡陶瓷。本发明专利技术方法制备的高电卡效应铌酸锶钡陶瓷，晶粒尺寸小，致密度高并提高了介电击穿场强，有望用于固态制冷系统，解决由于氟利昂作为制冷剂对臭氧层的破坏，解决目前面临的各种气候环境问题。

【技术实现步骤摘要】
一种高电卡效应铌酸锶钡陶瓷的制备方法
本专利技术涉及固态电卡制冷及能量收集装置的高电卡效应陶瓷材料及其制备方法。
技术介绍
电卡效应(ElectrocaloricEffect，以下简称为ECE)是指在绝热条件下，对材料施加和移除电场时，材料能产生可逆的温度变化的现象，它能有效实现固态制冷元器件的效率。可实现无温室气体排放，为解决氟利昂为制冷剂所带来的环境破坏问题提供了一条有效途径。目前具有较强电卡效应的材料主要有以下四类：一、铅基复合钙钛矿；二、SrBi2Ta2O9薄膜；三、BaTiO3、SrTiO3、Ba(1-x)SrxTiO3类；四、(1，1-二氟乙烯一三氟乙烯)为基的薄膜。上述含铅，秘的化合物电卡效应相对较高，但不符合环境友好的要求，钛酸锶，钛酸钡体系的电卡效应相对较弱，有机聚合物虽然具有较强的电卡效应，但是它的热稳定性差。这些缺点限制了它们的实际应用推广，因此目前还没有发现满足实际使用要求的电卡效应材料。现有对于电卡效应材料的研究主要集中于薄膜，因为薄膜相对于块体而言具有比较高的电卡效应。陶瓷块体的击穿强度相对比较低(最高承受电压≤100KV/cm)，而薄膜可以加上比较高的电场(～100-2000KV/cm)。在实际应用中薄膜虽然单个循环温度下降较大，由于的体积小，但是它总的热容量小。陶瓷块体的体积比较大，虽然单个循环温度下降小，但是它总的热容量大，所以如果两种材料的电卡值相差不大，块体材料的应用价值会高于薄膜材料。另外，陶瓷的制备方法会影响其微结构，而陶瓷的性能微结构有关。钨青铜结构的化合物是仅次于钙钛矿结构化合物的一类重要的电介质材料。钨青铜结构的弛豫铁电体中铌酸锶钡(通式为SrxBa1-xNb2O6，固溶范围0.32≤x≤0.82，简写为SBN)，因为具有优异的热释电效应、高的光电系数和压电系数，一直是国内外研究小组研究的热点。本专利技术用放电等离子烧结制备了的不同成分的铌酸锶钡陶瓷。研究了陶瓷在不同的温度下的极化值，发现不同的烧结方法会影响陶瓷的铁电性能，从而影响铁电效应。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提高一种高电卡效应铌酸锶钡陶瓷的制备方法，利用该方法制备的铌酸锶钡陶瓷最大的电卡效应可达0.51℃。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种高电卡效应铌酸锶钡陶瓷的制备方法，包括以下步骤：(1)将原料BaCO3，SrCO3和Nb2O5按SrxBa1-xNb2O6化学式配料，其中x＝0.4，0.5或0.6，研磨至粒径为100nm～400nm后烘干，过筛；(2)将步骤(1)制得的粉料1200℃～1300℃煅烧3小时后，过筛，制得SrxBa1-xNb2O6粉料；(3)将步骤(2)制得的SrxBa1-xNb2O6粉料装入10mm的石墨模具，利用放电等离子烧结系统在真空环境下1000℃～1050℃烧结，制得陶瓷烧结体；(4)空气气氛下，将步骤(3)制得的陶瓷烧结体960℃～1000℃热处理3小时，制得所述高电卡铌酸锶钡陶瓷。进一步地，所述步骤(2)中，x＝0.4或0.5时，1200℃煅烧3小时；x＝0.6时，1300℃煅烧3小时。进一步地，所述步骤(3)中，x＝0.4时1000℃烧结，x＝0.5时1025℃烧结，x＝0.6时1050℃烧结。进一步地，所述步骤(4)中，x＝0.4时980℃热处理，x＝0.5时970℃热处理，x＝0.6时965℃热处理。进一步地，步骤(1)中，研磨的方法为：将原料放入球磨罐，加入氧化锆球和无水乙醇进行球磨。本专利技术通过采用放电等离子烧结方法，晶粒尺寸小且均匀，提高致密度和铌酸锶钡陶瓷的介电击穿强度，从而提高铌酸锶钡陶瓷的电卡效应。在制备前，原料需要研磨至一定的细度，研磨时，可将原料放入球磨罐，加入氧化锆球和无水乙醇中进行球磨。本专利技术的有益效果在于：采用本专利技术的制备方法，制得的SrxBa1-xNb2O6陶瓷在室温下介电击穿场强达到120kV/cm，而采用传统固态烧结方法制备的SrxBa1-xNb2O6陶瓷的介电击穿场强仅为50kV/cm，介电击穿场强提高了2倍以上；此时，放电等离子烧结温度为1000℃，而采用传统固相法方法制备的SrxBa1-xNb2O6陶瓷烧结温度为1350℃，烧结温度降低了300℃以上；制得的最优铌酸锶钡陶瓷的电卡值为0.51℃，而采用传统固相法方法制备的同成分的铌酸锶钡陶瓷的电卡值仅为0.15℃左右，电卡效应提高了3倍以上。本专利技术制备的高电卡铌酸锶钡陶瓷，可用于固态制冷等元器件，不需要空气压缩机，可以把体积做得更小，可以为小型电子产品如CPU等制冷，并且效率更高，关键是环保、节能、高效、稳定和易于小型化。在目前迫切减少温室效应和能源紧张的大背景下，电卡制冷作为绿色节能的制冷技术，成为日后人们的潜在选择之一，非常有必要对其加大研究开发。附图说明图1为铌酸锶钡陶瓷样品的XRD衍射图谱：(a)Sr0.4Ba0.6Nb2O6(实施例1)；(b)Sr0.5Ba0.5Nb2O6(实施例2)；(c)Sr0.6Ba0.4Nb2O6(实施例3)；(d)传统固相法制备Sr0.6Ba0.4Nb2O6(对比例1)；图2为铌酸锶钡陶瓷样品的断面SEM照片：(a)Sr0.4Ba0.6Nb2O6(实施例1)；(b)Sr0.5Ba0.5Nb2O6(实施例2)；(c)Sr0.6Ba0.4Nb2O6(实施例3)；(d)为传统固相法制备的Sr0.6Ba0.4Nb2O6(对比例1)；图3为铌酸锶钡陶瓷样品在不同频率下的介电常数和介电损耗随温度的变化曲线：(a)、(b)Sr0.4Ba0.6Nb2O6(实施例1)；(c)、(d)Sr0.5Ba0.5Nb2O6(实施例2)；(e)、(f)Sr0.6Ba0.4Nb2O6(实施例3)；图4为铌酸锶钡陶瓷样品在不同介电场强下的极化变化值：(a)Sr0.4Ba0.6Nb2O6(实施例1)；(b)Sr0.5Ba0.5Nb2O6(实施例2)；(c)Sr0.6Ba0.4Nb2O6(实施例3)；图5为铌酸锶钡陶瓷样品在10Hz下的电卡值和等温熵变值：(a)、(b)Sr0.4Ba0.6Nb2O6(实施例1)；(c)、(d)Sr0.5Ba0.5Nb2O6(实施例2)；；(e)、(f)Sr0.6Ba0.4Nb2O6(实施例3)；图6为传统制备的铌酸锶钡样品在10Hz下的电卡值和等温熵变值：(a)、(b)Sr0.6Ba0.4Nb2O6(对比例1)。具体实施方式下面结合具体实施例进一步阐释本专利技术。实施例1(1)将BaCO3，SrCO3和Nb2O5原料粉末分别按Sr0.4Ba0.6Nb2O6化学式称量配料；(2)将步骤(1)配制好的化学原料放入球磨罐，塑料球磨罐中并加入ZrO2锆球，加入无水乙醇，放在球磨机上进行球磨24小时(粒径为100nm～400nm)，将球磨后的粉料在烘箱中烘干后120目过筛。将制得的粉料在1200℃煅烧3个小时，2℃/min降温到1100℃后，随炉冷却到室温，过120目筛，制得Sr0.4Ba0.6Nb2O6粉料；(3)将步骤(2)制得的粉末装入直径为10mm的石墨模具，放入放电等离子烧结系统在1000℃以及30MPa机械压力下烧结，保温5分钟，从室温到900℃的升温速率为100℃/min，从900℃到980℃升温速率为40本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高电卡效应铌酸锶钡陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将原料BaCO3，SrCO3和Nb2O5按SrxBa1‑xNb2O6化学式配料，其中x＝0.4，0.5或0.6，研磨至粒径为100nm～400nm后烘干，过筛；(2)将步骤(1)制得的粉料1200℃～1300℃煅烧3小时后，过筛，制得SrxBa1‑xNb2O6粉料；(3)将步骤(2)制得的SrxBa1‑xNb2O6粉料装入10mm的石墨模具，利用放电等离子烧结系统在真空环境下1000℃～1050℃烧结，制得陶瓷烧结体；(4)空气气氛下，将步骤(3)制得的陶瓷烧结体960℃～1000℃热处理3小时，制得所述高电卡铌酸锶钡陶瓷。

【技术特征摘要】
1.一种高电卡效应铌酸锶钡陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）将原料BaCO3，SrCO3和Nb2O5按SrxBa1-xNb2O6化学式配料，其中x=0.4，0.5或0.6，研磨至粒径为100nm~400nm后烘干，过筛；（2）将步骤（1）制得的粉料1200oC~1300oC煅烧3小时后，过筛，制得SrxBa1-xNb2O6粉料；（3）将步骤（2）制得的SrxBa1-xNb2O6粉料装入10mm的石墨模具，利用放电等离子烧结系统在真空环境下1000oC~1050℃烧结，制得陶瓷烧结体；（4）空气气氛下...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴淑雅，张志聪，陈湘明，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33