一种无铅低损耗高储能密度陶瓷材料及其制备方法技术

一种无铅低损耗高储能密度陶瓷材料及其制备方法，首先按照化学式(1‑x)SrTiO3‑x(0.95Bi0.5Na0.5TiO3‑0.05BaAl0.5Nb0.5O3)进行配料，其中x表示摩尔分数，且0.1≤x≤0.8；经球磨、干燥后获得原料粉体；将获得的原料粉体加入粘合剂进行造粒，陈腐24～48小时后，压制成片，排胶处理后在1225～1350℃下烧结，即可得到无铅低损耗高储能密度陶瓷材料。本发明专利技术的陶瓷材料制备工艺简单、稳定，适合工业化生产，其介电损耗低、储能特性优良，基于电滞回线计算的储能密度在1.40～1.89J/cm

【技术实现步骤摘要】
一种无铅低损耗高储能密度陶瓷材料及其制备方法
本专利技术涉及电介质储能陶瓷材料
，具体是一种无铅低损耗高储能密度陶瓷材料及其制备方法。
技术介绍
近年来，随着信息技术的迅速发展，高储能密度陶瓷电容器具有充放电速度快、抗循环老化、适用于高温高压等极端环境的优点，在各种电力、电子系统中扮演着越来越重要的角色。面对电子元器件向着无铅化、小型化、微型化和集成化的发展趋势，目前的无铅储能陶瓷电容器的储能密度远远达不到应用的需求。因此，进一步提高无铅储能陶瓷材料的储能密度成为现阶段的研究重点。通常情况下，储能陶瓷电容器是在一定的电压范围和一定的频率范围内进行工作的，优异的耐击穿性能和介电常数的频率稳定性可以保证电容器稳定的工作。同时，低的介电损耗和能量损耗也是衡量储能陶瓷电容器材料的重要指标。因为介电损耗和能量损耗容器引起元器件的温度随使用时间的增加而快速升高，影响元器件的正常使用。所以制备的储能陶瓷材料应当尽可能减小其介电损耗和能量损耗。考虑到以上因素，SrTiO3陶瓷具有较高的介电常数、低介电损耗、频率稳定性好和击穿场强高等特点，是目前研究最广泛、最具有吸引力的无铅储能介质陶瓷体系之一。但是SrTiO3陶瓷的饱和极化强度较小，导致储能密度较低，从而限制了其在实际生产中的应用。因此，要拓宽SrTiO3陶瓷在储能领域中的应用，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，提供一种无铅低损耗高储能密度陶瓷材料及其制备方法，这种陶瓷材料的损耗低，储能密度和储能效率优异，储能密度可达1.89J/cm3，储能效率可达97％，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：一种无铅低损耗高储能密度陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：(1)取SrTiO3粉体与0.95Bi0.5Na0.5TiO3-0.05BaAl0.5Nb0.5O3粉体，按照化学式(1-x)SrTiO3-x(0.95Bi0.5Na0.5TiO3-0.05BaAl0.5Nb0.5O3)进行配料并混合均匀，得到原料粉体，其中x表示0.95Bi0.5Na0.5TiO3-0.05BaAl0.5Nb0.5O3摩尔分数，且0.1≤x≤0.8；(2)向步骤(1)获得的原料粉体中加入粘合剂，进行造粒，陈腐后在200～250Mpa下压片，再进行排胶处理得到试样；(3)将步骤(2)的试样烧结成瓷，得到无铅低损耗高储能密度陶瓷材料。本专利技术中进一步的改进在于，SrTiO3粉体通过以下过程制备：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。本专利技术中进一步的改进在于，0.95Bi0.5Na0.5TiO3-0.05BaAl0.5Nb0.5O3粉体通过以下过程制备：按化学式0.95Bi0.5Na0.5TiO3-0.05BaAl0.5Nb0.5O3，将Bi2O3、Na2CO3、TiO2、BaCO3、Al2O3和Nb2O5进行配料并混合均匀，然后过筛，压块，再经850～900℃预烧3～4小时，得到块状固体，然后将块状固体粉碎后过筛，得到0.95Bi0.5Na0.5TiO3-0.05BaAl0.5Nb0.5O3粉体。本专利技术中进一步的改进在于，步骤(1)中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12～16小时，且球磨后在100℃下进行烘干。本专利技术中进一步的改进在于，步骤(2)中陈腐是在室温下放置24～48小时。本专利技术中进一步的改进在于，步骤(2)中粘合剂采用质量分数为8％的PVA水溶液。本专利技术中进一步的改进在于，步骤(2)中粘合剂的加入量是原料粉体质量的8％～15％。本专利技术中进一步的改进在于，步骤(2)中的排胶处理具体是在500～600℃保温3～5小时。本专利技术中进一步的改进在于，步骤(3)中烧结的温度为1225～1350℃，时间为2～3小时。一种无铅低损耗高储能密度陶瓷材料，该陶瓷材料的化学式为：(1-x)SrTiO3-x(0.95Bi0.5Na0.5TiO3-0.05BaAl0.5Nb0.5O3)，其中x为0.95Bi0.5Na0.5TiO3-0.05BaAl0.5Nb0.5O3摩尔分数，且0.1≤x≤0.8；该陶瓷材料的储能密度为1.40～1.89J/cm3，储能效率达到97％。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、0.95Bi0.5Na0.5TiO3-0.05BaAl0.5Nb0.5O3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。本专利技术制备工艺简单、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；所使用到的原料中不含有铅，对人类和环境无害、无污染；本专利技术的储能陶瓷材料的损耗低，并且通过调控两种粉体的比例，能够同时达到高储能密度和高储能效率，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，电滞回线计算的储能密度在1.40～1.89J/cm3之间，储能效率在72～97％之间；在1kHz下，居里温度在-125～105℃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，可以达到220kV/cm，拓宽了使用过程中的偏压范围。附图说明图1为实施例1所制备的无铅低损耗高储能密度陶瓷材料的XRD图谱；图2为实施例2所制备的无铅低损耗高储能密度陶瓷材料的XRD图谱；图3为实施例3所制备的无铅低损耗高储能密度陶瓷材料的XRD图谱；图4为实施例4所制备的无铅低损耗高储能密度陶瓷材料的XRD图谱；图5为实施例5所制备的无铅低损耗高储能密度陶瓷材料的XRD图谱；图6为实施例6所制备的无铅低损耗高储能密度陶瓷材料的XRD图谱；图7为实施例7所制备的无铅低损耗高储能密度陶瓷材料的XRD图谱；图8为实施例8所制备的无铅低损耗高储能密度陶瓷材料的XRD图谱；图9为实施例1所制备的无铅低损耗高储能密度陶瓷材料的SEM图；图10为实施例2所制备的无铅低损耗高储能密度陶瓷材料的SEM图；图11为实施例3所制备的无铅低损耗高储能密度陶瓷材料的SEM图；图12为实施例4所制备的无铅低损耗高储能密度陶瓷材料的SEM图；图13为实施例5所制备的无铅低损耗高储能密度陶瓷材料的SEM图；图14为实施例6所制备的无铅低损耗高储能密度陶瓷材料的SEM图；图15为实施例7所制备的无铅低损耗高储能密度陶瓷材料的SEM图；图16为实施例8所制备的无铅低损耗高储能密度陶瓷材料的SEM图；图17为实施例1所制备的无铅低损耗高储能密度陶瓷材料在10Hz测试频率下的电滞回线图；图18为实施例2所制备的无铅低损耗高储能密度陶瓷材料在10Hz测试频率下的电滞回线图；图19为实施例3所制备的无铅低损耗高储能密度陶瓷材料在10Hz测试频率下的电滞回线图；图20为实施例4所制备的无铅低损耗本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无铅低损耗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)取SrTiO3粉体与0.95Bi0.5Na0.5TiO3‑0.05BaAl0.5Nb0.5O3粉体，按照化学式(1‑x)SrTiO3‑x(0.95Bi0.5Na0.5TiO3‑0.05BaAl0.5Nb0.5O3)进行配料并混合均匀，得到原料粉体，其中x表示0.95Bi0.5Na0.5TiO3‑0.05BaAl0.5Nb0.5O3摩尔分数，且0.1≤x≤0.8；(2)向步骤(1)获得的原料粉体中加入粘合剂，进行造粒，陈腐后在200～250Mpa下压片，再进行排胶处理得到试样；(3)将步骤(2)的试样烧结成瓷，得到无铅低损耗高储能密度陶瓷材料。

【技术特征摘要】
1.一种无铅低损耗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)取SrTiO3粉体与0.95Bi0.5Na0.5TiO3-0.05BaAl0.5Nb0.5O3粉体，按照化学式(1-x)SrTiO3-x(0.95Bi0.5Na0.5TiO3-0.05BaAl0.5Nb0.5O3)进行配料并混合均匀，得到原料粉体，其中x表示0.95Bi0.5Na0.5TiO3-0.05BaAl0.5Nb0.5O3摩尔分数，且0.1≤x≤0.8；(2)向步骤(1)获得的原料粉体中加入粘合剂，进行造粒，陈腐后在200～250Mpa下压片，再进行排胶处理得到试样；(3)将步骤(2)的试样烧结成瓷，得到无铅低损耗高储能密度陶瓷材料。2.根据权利要求1所述的无铅低损耗高储能密度陶瓷材料的制备方法，其特征在于，SrTiO3粉体通过以下过程制备：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。3.根据权利要求1所述的无铅低损耗高储能密度陶瓷材料的制备方法，其特征在于，0.95Bi0.5Na0.5TiO3-0.05BaAl0.5Nb0.5O3粉体通过以下过程制备：按化学式0.95Bi0.5Na0.5TiO3-0.05BaAl0.5Nb0.5O3，将Bi2O3、Na2CO3、TiO2、BaCO3、Al2O3和Nb2O5进行配料并混合均匀，然后过筛，压块，再经850～900℃预烧3～4小时，得到块状固体，然后将块状固体...

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