一种无铅高储能密度陶瓷材料及其制备方法技术

一种无铅高储能密度陶瓷材料及其制备方法，首先按照化学式(1‑x)Bi

【技术实现步骤摘要】
一种无铅高储能密度陶瓷材料及其制备方法
本专利技术属于储能陶瓷领域，具体是一种无铅高储能密度陶瓷材料及其制备方法。
技术介绍
近年来，随着信息技术的不断发展，高储能密度介质材料是制作小型、大容量、高效率电容器的关键材料，在各种电子、电力系统中扮演着越来越重要的角色。由于高储能密度陶瓷介质电容器材料具有储能密度高、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。目前现有的高储能密度介质材料主要有四类。第一类为反铁电材料，这类材料具有较高的极化强度和击穿电场。但是大多数反铁电材料含有铅，占据大比重的铅存在较大的毒性，会对人体和环境造成严重的污染，因此，人们正致力于无铅化。第二类为有机薄膜，如聚偏氟乙烯(PVDF)膜、聚丙乙烯膜、聚酯薄膜等，其具有非常高的击穿场强，但是介电常数非常小，使用温度比较低，导致其使用范围严重受限。第三类为陶瓷与玻璃或陶瓷与聚合物形成的复合电介质材料，这类材料具有较高的击穿电场，但是批量化生产技术尚不成熟。第四类为钛酸钡和钛酸铋钠等铁电陶瓷材料，这类材料具有较高的介电常数，较低的介电损耗，相关生产技术非常成熟，但是储能密度通常情况下小于1J/cm3、储能密度的温度稳定性不好，并且介电常数随温度和频率的变化不稳定。因此，有效地提高储能陶瓷材料的储能密度和储能密度的温度稳定性以及介电常数的温度和频率稳定性成为现阶段的热点。
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，提供一种无铅高储能密度陶瓷材料及其制备方法，这种陶瓷材料的储能密度和储能密度的温度稳定性以及介电常数的温度稳定性和频率稳定性优异，并且具有环境友好、实用性高等特性。为实现上述目的，本专利技术采用如下的技术方案：该无铅高储能密度陶瓷材料的化学式为：(1-x)Bi0.48La0.02Na0.48Li0.02Ti0.98Zr0.02O3-xNa0.73Bi0.09NbO3，其中x为Na0.73Bi0.09NbO3的摩尔分数，且0.06≤x≤0.12。进一步地，该陶瓷材料在室温下，储能密度在1.30～2.04J/cm3之间；在90℃下，储能密度在1.06～1.66J/cm3之间。本专利技术制备方法的技术方案是：包括以下步骤：(1)将Bi0.48La0.02Na0.48Li0.02Ti0.98Zr0.02O3粉体和Na0.73Bi0.09NbO3粉体按照化学式(1-x)Bi0.48La0.02Na0.48Li0.02Ti0.98Zr0.02O3-xNa0.73Bi0.09NbO3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0.06≤x≤0.12；以无水乙醇为介质，经球磨、干燥后获得粉体；(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1100～1200℃下烧结成瓷，得到无铅高储能密度陶瓷材料。进一步地，按化学式Bi0.48La0.02Na0.48Li0.02Ti0.98Zr0.02O3将Bi2O3、La2O3、Na2CO3、Li2CO3、TiO2和ZrO2配料后，混合均匀，然后过筛、压块，再经750～850℃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Bi0.48La0.02Na0.48Li0.02Ti0.98Zr0.02O3粉体。进一步地，按化学式Na0.73Bi0.09NbO3将Na2CO3、Bi2O3和Nb2O5配料后，混合均匀，然后烘干、过筛、压块，再经750～850℃预烧2～4小时，得到块状固体，然后将块状固体粉碎后过120目筛，得到Na0.73Bi0.09NbO3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，且球磨后均在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：本专利技术分别将预合成的Bi0.48La0.02Na0.48Li0.02Ti0.98Zr0.02O3粉体、Na0.73Bi0.09NbO3粉体按照化学式(1-x)Bi0.48La0.02Na0.48Li0.02Ti0.98Zr0.02O3-xNa0.73Bi0.09NbO3进行配料，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1100～1200℃下烧结，即可得到无铅高储能密度陶瓷材料。本专利技术通过控制Na0.73Bi0.09NbO3的固溶量，克服了大多数陶瓷介质材料介电常数温度稳定性较差、介电损耗较大的缺点，所制备的储能陶瓷介质材料的介电常数在110～350℃范围内具有良好的频率稳定性且介电损耗均小于0.09，在60～500℃范围内介电常数变化率小于±10％，适用于较宽的工作温度、频率范围和应用领域。同时，在室温下(25℃)得到了细长、回形面积小的电滞回线，获得了优异的储能密度，储能密度达到1.30～2.04J/cm3，并且储能密度的温度稳定性好，在90℃下，其储能密度达到1.06～1.66J/cm3。此外，本专利技术所用原料中不含铅，对环境无污染，且所用原料中不含稀土元素和贵金属元素，制备工艺简单、稳定性好、致密度高，可满足不同应用的需求，所涉及的原料价格便宜，适合工业化生产，有望作新一代环境友好的储能陶瓷介质材料。本专利技术材料的储能特性优异，基于电滞回线计算，该陶瓷材料在室温下的储能密度可达2J/cm3以上；并且在90℃和140kV/cm的电场下，储能密度可达1.66J/cm3，表现出优异的温度稳定性，适用于较宽的工作温度、频率范围和应用领域。【附图说明】图1：实施例1所制备的无铅储能陶瓷材料的XRD图谱；图2：实施例2所制备的无铅储能陶瓷材料的XRD图谱；图3：实施例3所制备的无铅储能陶瓷材料的XRD图谱；图4：实施例4所制备的无铅储能陶瓷材料的XRD图谱；图5：实施例1所制备的无铅储能陶瓷材料的SEM图；图6：实施例2所制备的无铅储能陶瓷材料的SEM图；图7：实施例3所制备的无铅储能陶瓷材料的SEM图；图8：实施例4所制备的无铅储能陶瓷材料的SEM图；图9：实施例1所制备的无铅储能陶瓷材料在室温下的电滞回线图(测试频率为10Hz)；图10：实施例2所制备的无铅储能陶瓷材料在室温下的电滞回线图(测试频率为10Hz)；图11：实施例3所制备的无铅储能陶瓷材料在室温下的电滞回线图(测试频率为10Hz)；图12：实施例4所制备的无铅储能陶瓷材料在室温下的电滞回线图(测试频率为10Hz)；图13：实施例1所制备的无铅储能陶瓷材料在90℃下的电滞回线图(测试频率为10Hz)；图14：实施例2所制备的无铅储能陶瓷材料在90℃下的电滞回线图(测试频率为10Hz)；图15：实施例3所制备的无铅储能陶瓷材料在90℃下的电滞回线图(测试频率为10Hz)；图16：实施例4所制备的无铅储能陶瓷本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无铅高储能密度陶瓷材料，其特征在于，该无铅高储能密度陶瓷材料的化学式为：(1‑x)Bi

【技术特征摘要】
1.一种无铅高储能密度陶瓷材料，其特征在于，该无铅高储能密度陶瓷材料的化学式为：(1-x)Bi0.48La0.02Na0.48Li0.02Ti0.98Zr0.02O3-xNa0.73Bi0.09NbO3，其中x为Na0.73Bi0.09NbO3的摩尔分数，且0.06≤x≤0.12。2.根据权利要求1所述的一种无铅高储能密度陶瓷材料，其特征在于，该陶瓷材料在室温下，储能密度在1.30～2.04J/cm3之间；在90℃下，储能密度在1.06～1.66J/cm3之间。3.一种无铅高储能密度陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将Bi0.48La0.02Na0.48Li0.02Ti0.98Zr0.02O3粉体和Na0.73Bi0.09NbO3粉体按照化学式(1-x)Bi0.48La0.02Na0.48Li0.02Ti0.98Zr0.02O3-xNa0.73Bi0.09NbO3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0.06≤x≤0.12；以无水乙醇为介质，经球磨、干燥后获得粉体；(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1100～1200℃下烧结成瓷，得到无铅高储能密度陶瓷材料。4.根据权利要求3所述的无铅高储能密度陶瓷材料的制备方法，其特征在于，按化学式Bi0.48La0.02Na0.48Li0.02Ti0.98Zr0.02O...

【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