一种钛酸锶基无铅耐高压储能陶瓷材料及其制备方法技术

技术编号:16744878 阅读:18 留言:0更新日期:2017-12-08 14:49
一种无铅高储能密度和储能效率陶瓷材料及其制备方法,按照化学式(1‑x)SrTiO3‑x(0.93Bi0.5Na0.5TiO3‑0.07Ba0.94La0.04Zr0.02Ti0.98O3)进行配料并混合均匀,得到原料粉体,将有机溶剂和乳化剂混合均匀,然后加入原料粉体、粘结剂、分散剂和增塑剂,并混合均匀,进行流延成型,然后裁切和叠加、加压、排胶、烧结,得到钛酸锶基无铅耐高压储能陶瓷材料。本发明专利技术的陶瓷材料制备工艺简单、技术成熟,适合工业化生产,其储能特性优良,基于电滞回线计算的储能密度在1.80~2.83J/cm

【技术实现步骤摘要】
一种钛酸锶基无铅耐高压储能陶瓷材料及其制备方法
本专利技术属于储能陶瓷领域,具体是一种钛酸锶基无铅耐高压储能陶瓷材料及其制备方法。
技术介绍
随着电子行业的不断发展,高储能密度和高电场强度电子元器件受到人们的广泛关注,研究出新的高储能器件迫在眉睫。为了满足电子元器件向着小型化、大容量、高耐压和微型化的方向发展,世界各国的科研工作者正积极探索研究具有高介电常数、低介电损耗、高击穿强度、高储能密度和高储能效率的介质材料。与其他储能介质材料相比,储能陶瓷电容器具有充放电速度快、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,目前现有的大多数无铅储能陶瓷介质材料存在着击穿强度不够高或者极化强度较小,导致储能密度不高,难以满足新技术不断发展的需求。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属于ABO3型钙钛矿晶体,是典型的量子顺电体,室温下是立方结构,呈顺电相,具有较高的介电常数和较高的耐压强度,且在室温下其介电常数基本不随电场强度的变化而变化。并且SrTiO3陶瓷介电损耗低,有良好的介电性能频率稳定性,击穿性能优异,适合做储能电介质陶瓷,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,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耐高压储能陶瓷材料及其制备方法。这种陶瓷材料的电场强度、储能密度和储能效率优异,储能密度可达2.83J/cm3,储能效率可达85%以上,电场强度在175~326kV/cm,并且在制备过程中采用的流延成型技术成熟,所使用到的原料价格低廉,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:一种钛酸锶基无铅耐高压储能陶瓷材料的制备方法,包括以下步骤:(1)按照化学式(1-x)SrTiO3-x(0.93Bi0.5Na0.5TiO3-0.07Ba0.94La0.04Zr0.02Ti0.98O3)进行配料并混合均匀,得到原料粉体,其中x表示0.93Bi0.5Na0.5TiO3-0.07Ba0.94La0.04Zr0.02Ti0.98O3摩尔分数,且0.1≤x≤0.5;(2)流延浆料的制备:将有机溶剂和乳化剂混合均匀,然后加入步骤(1)获得的原料粉体、粘结剂、分散剂和增塑剂,并混合均匀,得到流延浆料;(3)生坯的制备:将步骤(2)中获得的流延浆料采用流延成型的方式进行流延成型,然后按照需要进行裁切和叠加,并在150~200MPa的压力下进行加压,得到陶瓷材料生坯;(4)将步骤(3)制备的陶瓷材料生坯试样进行排胶处理,然后将排胶处理后的试样烧结成瓷,得到钛酸锶基无铅耐高压储能陶瓷材料。本专利技术进一步的改进在于,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。本专利技术进一步的改进在于,0.93Bi0.5Na0.5TiO3-0.07Ba0.94La0.04Zr0.02Ti0.98O3粉体通过以下过程制备:按化学式0.93Bi0.5Na0.5TiO3-0.07Ba0.94La0.04Zr0.02Ti0.98O3将分析纯的Bi2O3,Na2CO3,TiO2,BaCO3,La2O3和ZrO2进行配料并混合均匀,然后过筛、压块,再经800~850℃预烧3~4小时,得到块状固体,然后将块状固体粉碎后过120目筛,得到0.93Bi0.5Na0.5TiO3-0.07Ba0.94La0.04Zr0.02Ti0.98O3粉体。本专利技术进一步的改进在于,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,且球磨后均在100℃下进行烘干。本专利技术进一步的改进在于,步骤(2)中混合均匀的过程是通过球磨进行的,球磨时间为4~6小时。本专利技术进一步的改进在于,步骤(2)中有机溶剂为无水乙醇和丁酮的混合物;乳化剂为三油酸甘油酯;粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛;分散剂为聚乙二醇;增塑剂为邻苯二甲酸二丁酯。本专利技术进一步的改进在于,步骤(2)中无水乙醇的加入量为原料粉体质量的50~55%;丁酮的加入量与原料粉体质量相同;三油酸甘油酯的加入量为原料粉体质量的3~4%;聚乙烯醇缩丁醛的加入量为原料粉体质量的9.5~10.5%;聚乙二醇的加入量为原料粉体质量的3~4%;邻苯二甲酸二丁酯的加入量为原料粉体质量的3~4%。本专利技术进一步的改进在于,步骤(4)中的排胶处理具体是在500~600℃保温10~15小时。本专利技术进一步的改进在于,步骤(4)中烧结的温度为1300~1350℃,时间为2~3小时。一种钛酸锶基无铅耐高压储能陶瓷材料,其化学式为:(1-x)SrTiO3-x(0.93Bi0.5Na0.5TiO3-0.07Ba0.94La0.04Zr0.02Ti0.98O3),其中x为0.93Bi0.5Na0.5TiO3-0.07Ba0.94La0.04Zr0.02Ti0.98O3的摩尔分数,且0.1≤x≤0.5。本专利技术进一步的改进在于,该陶瓷材料的电场强度为175~326kV/cm,储能密度为1.80~2.83J/cm3,储能效率为74~87%。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粉体和0.93Bi0.5Na0.5TiO3-0.07Ba0.94La0.04Zr0.02Ti0.98O3粉体按照化学计量比通过球磨工艺混合均匀后进行流延成型,然后进行排胶处理,并烧结,即可得到钛酸锶基无铅耐高压储能陶瓷材料。本专利技术的钛酸锶基无铅耐高压储能陶瓷材料的制备工艺简单、稳定性好、致密度高,可满足不同应用的需求,无铅无污染,所涉及的原料价格便宜,技术工艺成熟,适合工业化生产;在本专利技术配比下可以同时获得高的储能密度和高的储能效率,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。进一步的,本专利技术的流延浆料中的有机溶剂由无水乙醇和丁酮组成,无水乙醇和丁酮的质量比为0.5~0.55,由于无水乙醇和丁酮的挥发速度有差异,选择特定比例的无水乙醇和丁酮可以保证溶剂挥发的同时也有残留,有效的避免由于挥发过快造成的表面开裂。同时,本专利技术获得的流延浆料具有稳定性和流变性好,固含量高,可以快速高效的干燥,缩短干燥时间,有利于工业化的大批量生产。本专利技术钛酸锶基无铅耐高压储能陶瓷材料的晶粒尺寸分布均匀、致密度高,使得该材料具有较高的击穿电场,可以有效的提高其储能密度,并且储能特性优异,其储能密度可达2.83J/cm3,储能效率可达85%以上。同时,本专利技术的储能陶瓷介质材料具有较高的击穿电场,在175~236kV/cm,可以拓宽在使用过程本文档来自技高网
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一种钛酸锶基无铅耐高压储能陶瓷材料及其制备方法

【技术保护点】
一种钛酸锶基无铅耐高压储能陶瓷材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:(1)按照化学式(1‑x)SrTiO3‑x(0.93Bi0.5Na0.5TiO3‑0.07Ba0.94La0.04Zr0.02Ti0.98O3)进行配料并混合均匀,得到原料粉体,其中x表示0.93Bi0.5Na0.5TiO3‑0.07Ba0.94La0.04Zr0.02Ti0.98O3摩尔分数,且0.1≤x≤0.5;(2)流延浆料的制备:将有机溶剂和乳化剂混合均匀,然后加入步骤(1)获得的原料粉体、粘结剂、分散剂和增塑剂,并混合均匀,得到流延浆料;(3)生坯的制备:将步骤(2)中获得的流延浆料采用流延成型的方式进行流延成型,然后按照需要进行裁切和叠加,并在150~200MPa的压力下进行加压,得到陶瓷材料生坯;(4)将步骤(3)制备的陶瓷材料生坯试样进行排胶处理,然后将排胶处理后的试样烧结成瓷,得到钛酸锶基无铅耐高压储能陶瓷材料。

【技术特征摘要】
1.一种钛酸锶基无铅耐高压储能陶瓷材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:(1)按照化学式(1-x)SrTiO3-x(0.93Bi0.5Na0.5TiO3-0.07Ba0.94La0.04Zr0.02Ti0.98O3)进行配料并混合均匀,得到原料粉体,其中x表示0.93Bi0.5Na0.5TiO3-0.07Ba0.94La0.04Zr0.02Ti0.98O3摩尔分数,且0.1≤x≤0.5;(2)流延浆料的制备:将有机溶剂和乳化剂混合均匀,然后加入步骤(1)获得的原料粉体、粘结剂、分散剂和增塑剂,并混合均匀,得到流延浆料;(3)生坯的制备:将步骤(2)中获得的流延浆料采用流延成型的方式进行流延成型,然后按照需要进行裁切和叠加,并在150~200MPa的压力下进行加压,得到陶瓷材料生坯;(4)将步骤(3)制备的陶瓷材料生坯试样进行排胶处理,然后将排胶处理后的试样烧结成瓷,得到钛酸锶基无铅耐高压储能陶瓷材料。2.根据权利要求1所述的钛酸锶基无铅耐高压储能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所述的钛酸锶基无铅耐高压储能陶瓷材料的制备方法,其特征在于,0.93Bi0.5Na0.5TiO3-0.07Ba0.94La0.04Zr0.02Ti0.98O3粉体通过以下过程制备:按化学式0.93Bi0.5Na0.5TiO3-0.07Ba0.94La0.04Zr0.02Ti0.98O3将分析纯的Bi2O3,Na2CO3,TiO2,BaCO3,La2O3和ZrO2进行配料并混合均匀,然后过筛、压块,再经800~850℃预烧3~4小时,得到块状固体,然后将块状固体粉碎后过120目筛,得到0.93Bi0.5Na0.5TiO3-0....

【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

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