一种Bi2O3‑B2O3‑ZnO玻璃添加Ba0.4Sr0.6TiO3基储能陶瓷及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种Bi2O3‑B2O3‑ZnO玻璃添加Ba0.4Sr0.6TiO3基储能陶瓷及其制备方法，包括主要成分SrCO3、TiO2和BaCO3，辅助成分Bi2O3‑B2O3‑ZnO玻璃。其制备方法为：将SrCO3、TiO2和BaCO3为原料按照一定的化学计量比称量，球磨，出料后烘干，于1150℃下预烧2h，得到Ba0.4Sr0.6TiO3粉体。按照(100‑x)wt％Ba0.4Sr0.6TiO3+xwt％Bi2O3‑B2O3‑ZnO质量配比称量后与锆球石和去离子水混合，依次进行球磨、烘干、造粒、过筛后压制成试样，在空气中于1250～1350℃保温2小时烧结制成，随炉冷却，最后涂覆电极浆料即可。本发明专利技术方法制备的无铅电介质材料符合储能陶瓷介电性能方面最主要的三个特征：高的介电常数、低的介电损耗、高的击穿场强和大的储能密度，制备工艺简单，价廉，环保。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及陶瓷电介质材料领域，具体涉及一种Bi2O3-B2O3-ZnO玻璃添加Ba0.4Sr0.6TiO3基储能陶瓷及其制备方法。
技术介绍
近年来，随着新技术革命的兴起，经济迅猛发展，其对能源的需求也不断增加。新能源的开发利用，成为解决当前能源危机的有效途径。研究开发新能源，使其取代传统能源，减少对环境的污染，避免传统能源的枯竭，是满足人类社会发展的最终能源选择。在新能源的开发利用中，需要将直流电转变为交流电供给负载使用，通常采用逆变设备完成这一转变，而电容器陶瓷是逆变设备中能量转换最为重要的元素。在电场作用下，电容器陶瓷(介质陶瓷)会产生极化，可以储存和释放电荷，电容器正是利用这一特性制造而成的。Ba1-xSrxTiO3陶瓷综合了BaTiO3陶瓷与SrTiO3陶瓷的优良性能，成为储能介质陶瓷领域的研究热点。然而，Ba1-xSrxTiO3陶瓷中存在着异常长大的晶粒及晶界、空隙、杂质等不均匀的微观结构，同时Ba1-xSrxTiO3陶瓷的介电损耗及电致伸缩效应，会导致材料在电场作用下出现微裂纹，不均匀的微观结构及微裂纹等因素使Ba1-xSrxTiO3陶瓷在较低电场下就会被击穿。如何改善陶瓷的微观性能，降低介电损耗，提高击穿场强，从而提高陶瓷的储能密度，成为近年来研究的热点。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种Bi2O3-B2O3-ZnO玻璃添加Ba0.4Sr0.6TiO3基储能陶瓷及其制备方法，以克服上述现有技术存在的缺陷，通过本专利技术方法制得的储能型陶瓷电介质材料，不但制备工艺简单，材料成本低，而且具有较高的介电常数、低的介电损耗、高的击穿电压和高的储能密度，有可能成为替代Ba0.4Sr0.6TiO3基无铅储能型陶瓷材料在技术和经济上兼优的重要候选材料。为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种Bi2O3-B2O3-ZnO玻璃添加Ba0.4Sr0.6TiO3基储能陶瓷，配方为(100-x)Ba0.4Sr0.6TiO3+xBi2O3-B2O3-ZnO，其中x＝1～9wt％，x为质量百分比。进一步地，x＝1wt％、3wt％、5wt％、7wt％或9wt％。一种Bi2O3-B2O3-ZnO玻璃添加Ba0.4Sr0.6TiO3基储能陶瓷的制备方法，包括以下步骤：步骤一：按照摩尔比0.6:1:0.4称取SrCO3、TiO2和BaCO3混合形成混合物A；将混合物A进行球磨、烘干、压块后，于1120～1150℃保温1.5～2小时，形成纯相的Ba0.4Sr0.6TiO3粉体，备用；步骤二：按照Bi2O3：B2O3：ZnO＝6:3:1的摩尔比称取原料，充分研磨搅拌混匀后加热，升温至1200～1300℃后保温1.5～2h得到高温熔体，然后将高温熔体初步成型，待初步成型后进行退火处理，退火后切割，将切割好的样品进行晶化处理，冷却后即得到Bi2O3-B2O3-ZnO玻璃粉；步骤三：将得到的Ba0.4Sr0.6TiO3粉体和Bi2O3-B2O3-ZnO玻璃粉按照(100-x)Ba0.4Sr0.6TiO3+xBi2O3-B2O3-ZnO混合得到混合物B，取混合物B与锆球石及去离子水混合后依次进行球磨、烘干、造粒、过筛，形成造粒料，其中x＝1～9wt％，x为质量百分比；步骤四：将步骤三所得造粒料在110～120MPa的压强下制成试样，然后以2℃/min升温至500℃保温60min，以5℃/min升温至1250～1350℃时保温2～3小时，之后，以5℃/min降温至500℃后，随炉冷却至室温；步骤五：打磨、清洗步骤四烧结好的试样后，在试样正反两面均匀涂覆银电极浆料，于600℃烧结20～30分钟，得到Bi2O3-B2O3-ZnO玻璃添加Ba0.4Sr0.6TiO3基储能陶瓷。进一步地，步骤二中退火处理具体为：在预先升温至500℃的退火炉中退火2h；退火后切割至10.0mm×10.0mm×2.0mm的尺寸。进一步地，步骤二中晶化处理具体为：将切割好的样品放置在马弗炉中随炉加热，以10℃/min的升温速率升至700℃～750后保温4h。进一步地，步骤一、三中球磨时间均为4～6小时。进一步地，步骤三中取混合物B与锆球石及去离子水混合后依次进行球磨、烘干后得到烘干料，将粘合剂添加至烘干料中进行造粒，粘合剂占烘干料质量的8～10％，然后分别过40目和80目筛取中间料即得到造粒料。进一步地，所述粘合剂为聚乙烯醇水溶液。进一步地，粘合剂的质量浓度为4～6％。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：本专利技术采用传统固相法制备，工艺成熟，适合产业化生产，另外采用了Bi2O3-B2O3-ZnO玻璃，利用玻璃相的液相烧结作用，改善Ba0.4Sr0.6TiO3陶瓷的微观结构和介电性能，本专利技术方法制备的无铅储能型陶瓷电介质材料不但制备工艺简单，材料成本低，而且具有较高的介电常数、低的介电损耗、高的击穿电压和高的储能密度，旨在改善Ba0.4Sr0.6TiO3陶瓷的微观结构并提高其储能密度。附图说明图1是对比例及实施例1-5Ba0.4Sr0.6TiO3陶瓷样品和Bi2O3-B2O3-ZnO玻璃的XRD图，其中(a)为Ba0.4Sr0.6TiO3陶瓷样品的XRD图；(b)为Bi2O3-B2O3-ZnO玻璃的XRD图；图2是对比例及实施例1-5添加Bi2O3-B2O3-ZnO玻璃的Ba0.4Sr0.6TiO3陶瓷样品的SEM图：(a)x＝0；(b)x＝1；(c)x＝3；(d)x＝5；(e)x＝7；(f)x＝9；图3是对比例及实施例1-5添加Bi2O3-B2O3-ZnO玻璃的Ba0.4Sr0.6TiO3陶瓷样品的介电常数和介电损耗随频率变化的特性曲线；图4是对比例及实施例1-5添加Bi2O3-B2O3-ZnO玻璃的Ba0.4Sr0.6TiO3陶瓷样品的威布尔分布图；图5是对比例及实施例1-5添加Bi2O3-B2O3-ZnO玻璃的Ba0.4Sr0.6TiO3陶瓷样品的电滞回线以及介电常数、平均击穿场强和储能密度随着玻璃添加量的变化图，其中(a)是电滞回线；(b)是介电常数、平均击穿场强和储能密度随着玻璃添加量的变化图。具体实施方式下面结合附图及实施例对本专利技术做进一步详细描述：对比例本专利技术Ba0.4Sr0.6TiO3基无铅储能型陶瓷电介质材料，其配方为(100-x)wt％Ba0.4Sr0.6TiO3+xwt％Bi2O3-B2O3-ZnO，其中x＝0。步骤一：制备Ba0.4Sr0.6TiO3粉备用。按照摩尔比0.6:1:0.4称取SrCO3、TiO2和BaCO3混合形成混合物。步骤二：取混合物与锆球石及去离子水，按照质量比为1:1:1混合后依次进行球磨、烘干、压块后，置于箱式炉中于1150℃保温2小时，形成纯相的Ba0.4Sr0.6TiO3粉体，备用；步骤三：将玻璃复合物按照60Bi2O3-30B2O3-10ZnO(mol％)的摩尔比称取原料，于研钵中充分研磨搅拌混匀后倒入刚玉坩埚中，置于高温电阻炉中加热。按照设定的升温速率升温至1300℃，保温2h后，通过拉丝判断玻璃熔体是否熔制良好，其中没有观察到气泡及结石，且高温熔体具有良好的延展性，表明玻璃熔制完全。此时可迅速取出坩埚并将高温熔体快速倒入预先加热的铜板上。待玻璃液初步成型后，迅速放置到预先升温本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Bi2O3‑B2O3‑ZnO玻璃添加Ba0.4Sr0.6TiO3基储能陶瓷，其特征在于，配方为(100‑x)Ba0.4Sr0.6TiO3+x Bi2O3‑B2O3‑ZnO，其中x＝1～9wt％，x为质量百分比。

【技术特征摘要】
1.一种Bi2O3-B2O3-ZnO玻璃添加Ba0.4Sr0.6TiO3基储能陶瓷，其特征在于，配方为(100-x)Ba0.4Sr0.6TiO3+xBi2O3-B2O3-ZnO，其中x＝1～9wt％，x为质量百分比。2.根据权利要求1所述的一种Bi2O3-B2O3-ZnO玻璃添加Ba0.4Sr0.6TiO3基储能陶瓷，其特征在于，x＝1wt％、3wt％、5wt％、7wt％或9wt％。3.一种Bi2O3-B2O3-ZnO玻璃添加Ba0.4Sr0.6TiO3基储能陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：按照摩尔比0.6:1:0.4称取SrCO3、TiO2和BaCO3混合形成混合物A；将混合物A进行球磨、烘干、压块后，于1120～1150℃保温1.5～2小时，形成纯相的Ba0.4Sr0.6TiO3粉体，备用；步骤二：按照Bi2O3：B2O3：ZnO＝6:3:1的摩尔比称取原料，充分研磨搅拌混匀后加热，升温至1200～1300℃后保温1.5～2h得到高温熔体，然后将高温熔体初步成型，待初步成型后进行退火处理，退火后切割，将切割好的样品进行晶化处理，冷却后即得到Bi2O3-B2O3-ZnO玻璃粉；步骤三：将得到的Ba0.4Sr0.6TiO3粉体和Bi2O3-B2O3-ZnO玻璃粉按照(100-x)Ba0.4Sr0.6TiO3+xBi2O3-B2O3-ZnO混合得到混合物B，取混合物B与锆球石及去离子水混合后依次进行球磨、烘干、造粒、过筛，形成造粒料，其中x＝1～9wt％，x为质量百分比；步骤四：将步骤三所得造粒料在110～120MPa的压强下制成试样，然后以2℃/min升温至500℃保温60min，以5℃/min升温至1250～1350℃时保温2～3小时，之后，以5℃/...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒲永平，王亚茹，师裕，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61