一种钛酸锶基无铅高储能密度高储能效率陶瓷材料及其制备方法技术

一种钛酸锶基无铅高储能密度高储能效率陶瓷材料及其制备方法，首先按照化学式(1‑x)SrTiO

【技术实现步骤摘要】
一种钛酸锶基无铅高储能密度高储能效率陶瓷材料及其制备方法
本专利技术涉及储能电容器用介质材料
，具体是一种钛酸锶基无铅高储能密度高储能效率陶瓷材料及其制备方法。
技术介绍
随着信息技术的不断发展，器件的小型化、多功能化，高储能密度、高储能效率陶瓷是制作小型、大容量、高效率电容器的关键材料。由于高储能密度陶瓷电容器具有储能密度高、充放电速度快、抗循环老化、机械强度高、适用于高温高压等极端环境和性能稳定等优点，符合新能源开发和利用的要求，广泛的应用于通讯、电脑、汽车、电子电路设备以及军工等现代众多领域。但是，目前现有的储能介质材料存在储能密度和储能效率低、放电电流小、寿命短、含有对人体健康不利以及污染环境的铅等问题，难以满足当代社会发展的需求。因此，对于开发具有高储能密度和高储能效率的无铅陶瓷电介质材料是提高电容器储能特性的关键。作为储能电容器的介质材料主要有线性陶瓷、铁电陶瓷和反铁电陶瓷。目前，在储能方面应用的线性陶瓷体系主要有TiO2基陶瓷；铁电体陶瓷体系主要有SrTiO3、BaTiO3基陶瓷；而反铁电体陶瓷体系主要有PbZrO3基陶瓷，但是占据大比重的铅存在较大的毒性，并会对人体和环境造成严重的污染。由于储能陶瓷的性能主要取决于其介电常数和绝缘性能两个因素，并且陶瓷介质储能特性与介质的介电常数和工作场强平方的乘积具有正比例关系。SrTiO3陶瓷是一种优良的电介质材料，具有较高的介电常数、低介电损耗温度稳定性好和击穿场强高，但是SrTiO3陶瓷的饱和极化强度较小，储能密度较低，从而限制了其在实际生产中的应用。因此，要拓宽SrTiO3陶瓷介质在储能领域的应用，需要对其进行改性，在保持其高击穿场强和低损耗的同时最大限度提高其介电常数和极化强度，从而提高储能密度和储能效率。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种钛酸锶基无铅高储能密度高储能效率陶瓷材料及其制备方法，这种陶瓷材料储能密度和储能效率优异，储能密度可达1.403J/cm3，储能效率可达91.63％，并且具有环境友好、实用性好等特性。为实现上述目的，本专利技术采用如下的技术方案：其化学式为：(1-x)SrTiO3-x(0.65BaTiO3-0.35Bi0.5Na0.5TiO3)，其中x为0.65BaTiO3-0.35Bi0.5Na0.5TiO3的摩尔百分数，且0.1≤x≤0.6。进一步地，该陶瓷材料的平均晶粒尺寸为1.0～1.4μm，储能密度在0.961～1.403J/cm3之间，储能效率在84.77～91.63％之间。本专利技术制备方法的技术方案是：包括以下步骤：(1)取SrTiO3粉体与0.65BaTiO3-0.35Bi0.5Na0.5TiO3粉体，按照化学式(1-x)SrTiO3-x(0.65BaTiO3-0.35Bi0.5Na0.5TiO3)进行配料并混合均匀，得到原料粉体，其中x表示摩尔分数，且0.1≤x≤0.6；(2)向步骤(1)获得的原料粉体中加入粘合剂，进行造粒，陈腐24～48小时后压片，再进行排胶处理得到试样；(3)将步骤(2)排胶处理后的试样于1250～1350℃下烧结成瓷，得到钛酸锶基无铅高储能密度高储能效率陶瓷材料。进一步地，SrTiO3粉体的制备步骤包括：按化学式SrTiO3将分析纯的SrCO3和TiO2进行配料并混合均匀，然后过筛，压块，再经1150～1200℃预烧3～5小时，得到块状固体，然后将块状固体粉碎后过120目筛，得到SrTiO3粉体。进一步地，0.65BaTiO3-0.35Bi0.5Na0.5TiO3粉体的制备步骤包括：按化学式0.65BaTiO3-0.35Bi0.5Na0.5TiO3将BaCO3、Na2CO3、Bi2O3和TiO2进行配料并混合均匀，然后过筛，压块，再经900～950℃预烧3～5小时，得到块状固体，然后将块状固体粉碎后过筛，得到0.65BaTiO3-0.35Bi0.5Na0.5TiO3粉体。进一步地，混合均匀的过程是以无水乙醇为介质，通过球磨进行的，球磨时间为20～24小时，且球磨后在100℃下进行烘干。进一步地，步骤(2)中粘合剂采用的是质量分数为8％的PVA水溶液。进一步地，步骤(2)中粘合剂的加入量是原料粉体质量的8％～15％。进一步地，步骤(2)中的排胶处理具体是在500～600℃保温3～5小时。进一步地，步骤(3)中保温2～3小时烧结成瓷。与现有技术相比，本专利技术具有的有益效果：本专利技术分别将SrTiO3粉体、0.65BaTiO3-0.35Bi0.5Na0.5TiO3粉体按照化学计量通过球磨工艺混合均匀后进行造粒，然后在模具中压制成型，排胶处理后在1250～1350℃下烧结，即可得到钛酸锶基无铅高储能密度高储能效率陶瓷材料。由于BaTiO3是一种强介电化合物材料，具有高介电常数和低介电损耗，而Bi0.5Na0.5TiO3具有强铁电性和较大的极化强度，但是其介电常数较小，本专利技术选用0.65BaTiO3-0.35Bi0.5Na0.5TiO3对SrTiO3进行改性，在保持其高击穿场强和低损耗的同时最大限度提高其介电常数和极化强度，从而提高储能密度和储能效率，本专利技术的陶瓷材料制备工艺简单、稳定性好、致密度高，可满足不同应用的需求，适合工业化生产；随着0.65BaTiO3-0.35Bi0.5Na0.5TiO3含量的不断增加，本专利技术储能陶瓷材料的击穿强度在不断的减小，剩余极化强度不断增大，本专利技术通过调控比例，能够同时达到高储能密度和储能效率，其中高储能效率能够有效避免存储的能量以热的形式释放，延长材料的使用寿命。本专利技术材料的储能特性优良，平均晶粒尺寸约为1.0～1.4μm，储能密度在0.961～1.403J/cm3之间，储能效率在84.77～91.63％之间，居里温度在-180～-9℃范围内可调，可以有效的避免由于铁电顺电相变造成的介电性能突变，使材料具有较好的介电温度稳定性。同时，本专利技术的储能陶瓷介质材料具有较高的击穿强度，可以拓宽在使用过程中的偏压范围。【附图说明】图1：实施例1所制备的储能介质陶瓷材料的XRD图谱；图2：实施例2所制备的储能介质陶瓷材料的XRD图谱；图3：实施例3所制备的储能介质陶瓷材料的XRD图谱；图4：实施例4所制备的储能介质陶瓷材料的XRD图谱；图5：实施例5所制备的储能介质陶瓷材料的XRD图谱；图6：实施例6所制备的储能介质陶瓷材料的XRD图谱；图7：实施例1所制备的储能介质陶瓷材料的SEM图；图8：实施例2所制备的储能介质陶瓷材料的SEM图；图9：实施例3所制备的储能介质陶瓷材料的SEM图；图10：实施例4所制备的储能介质陶瓷材料的SEM图；图11：实施例5所制备的储能介质陶瓷材料的SEM图；图12：实施例6所制备的储能介质陶瓷材料的SEM图；图13：实施例1所制备的储能介质陶瓷材料在10Hz测试频率下的电滞回线图；图14：实施例2所制备的储能介质陶瓷材料在10Hz测试频率下的电滞回线图；图15：实施例3所制备的储能介质陶瓷材料在10Hz测试频率下的电滞回线图；图16：实施例4所制备的储能介质陶瓷材料在10Hz测试频率下的电滞回线图；图17：实施例5所制备的储能介质陶瓷材料在10Hz测试频率下的电滞回线图；图18：实施例6所本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钛酸锶基无铅高储能密度高储能效率陶瓷材料，其特征在于，其化学式为：(1‑x)SrTiO

【技术特征摘要】
1.一种钛酸锶基无铅高储能密度高储能效率陶瓷材料，其特征在于，其化学式为：(1-x)SrTiO3-x(0.65BaTiO3-0.35Bi0.5Na0.5TiO3)，其中x为0.65BaTiO3-0.35Bi0.5Na0.5TiO3的摩尔百分数，且0.1≤x≤0.6。2.根据权利要求1所述的一种钛酸锶基无铅高储能密度高储能效率陶瓷材料，其特征在于，该陶瓷材料的平均晶粒尺寸为1.0～1.4μm，储能密度在0.961～1.403J/cm3之间，储能效率在84.77～91.63％之间。3.一种钛酸锶基无铅高储能密度高储能效率陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)取SrTiO3粉体与0.65BaTiO3-0.35Bi0.5Na0.5TiO3粉体，按照化学式(1-x)SrTiO3-x(0.65BaTiO3-0.35Bi0.5Na0.5TiO3)进行配料并混合均匀，得到原料粉体，其中x表示摩尔分数，且0.1≤x≤0.6；(2)向步骤(1)获得的原料粉体中加入粘合剂，进行造粒，陈腐24～48小时后压片，再进行排胶处理得到试样；(3)将步骤(2)排胶处理后的试样于1250～1350℃下烧结成瓷，得到钛酸锶基无铅高储能密度高储能效率陶瓷材料。4.根据权利要求3所述的钛酸锶基无铅高储能密度高储能效率陶瓷材料的制备方法，其特征在于，SrTiO3粉体的制备步骤包括：按化学式SrTiO3将分析纯的SrCO3和TiO2进行配料并混合均匀，然后过筛，压块，再经1150～1200℃预烧3～5小时...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨海波，闫非，林营，高淑雅，朱建锋，王芬，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61