钛酸铋钠-钛酸钡基无铅弛豫铁电体储能陶瓷及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种钛酸铋钠‑钛酸钡基无铅弛豫铁电体储能陶瓷及其制备方法。所述陶瓷材料的分子式如式I所示：式I中，M表示MnO

Lead free relaxor ferroelectric energy storage ceramics based on sodium bismuth titanate barium titanate and its preparation

The invention discloses a bismuth sodium titanate barium titanate based lead-free relaxor ferroelectric energy storage ceramic and a preparation method thereof. The molecular formula of the ceramic material is shown in formula I: in formula I, M represents MnO

【技术实现步骤摘要】
钛酸铋钠-钛酸钡基无铅弛豫铁电体储能陶瓷及其制备方法
本专利技术涉及一种钛酸铋钠-钛酸钡基无铅弛豫铁电体储能陶瓷及其制备方法，属于材料领域。
技术介绍
世界经济和人类社会的飞速发展离不开能源的支持，太阳能、风能等新型清洁可再生能源也逐步走向实用化，运用先进的储能设备与技术将这些具有间歇性、随机性和波动性等问题的新型可再生能源进行合理存储和利用的研究也逐渐加深。众多储能设备和技术中，电介质电容器具有超高的功率密度、超快速的充放电能力、很高的循环寿命和安全性，非常适用于功率波动大或者需要高功率密度的领域，因而广泛应用于商业、医疗及军用等领域。目前，商业使用的电介质电容器主要为陶瓷电介质，其能量密度小于2J/cm3，随着电力电子器件和系统向着小型化、轻量化以及集成化方向发展，开发具有高储能性能的电介质电容器材料具有重要意义。储能陶瓷电容器根据电介质不同分为铁电体、弛豫铁电体、反铁电体、线性电介质等。当前，国内相关研究如下：清华大学李敬锋教授课题组的铌酸银基反铁电储能陶瓷(授权公告号CN106478097)，其放电储能密度可以达到2.00～2.50J/cm3，充放电效率为50.5～57.2％。武汉理工大学刘韩星等的钛酸铋钠-钛酸锶基储能陶瓷(授权公告号CN109574656)，其放电能量密度为1.61～2.17J/cm3，充放电效率达46.6～82.0％。上海硅酸盐研究所董显林等的钛酸锶钡基弛豫铁电体储能陶瓷材料(授权公告号CN109180178)，其放电能量密度大于3J/cm3，充放电效率大于72.5％。西安交通大学李飞等的无铅弛豫反铁电陶瓷储能材料(授权公告号CN109180181)，其放电储能密度达2.8J/cm3，充放电效率可达98％。在众多陶瓷电介质中，弛豫铁电体由于具有高介电常数和弥散型相变带来的较小的介电常数-温度变化率，以及细长的电滞回线，在储能陶瓷领域占有巨大优势，研发成本低，储能特性优良的弛豫铁电体陶瓷储能电介质具有重要的实际应用意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种成本较低，具有高储能密度和充放电效率的钛酸铋钠-钛酸钡基无铅弛豫铁电体储能陶瓷电介质及其制备方法，以及以此电介质为基础的多层储能陶瓷电容器的制备方法。本专利技术所提供的钛酸铋钠-钛酸钡基无铅弛豫铁电体储能陶瓷材料的分子式如式I所示：(1-w)Bi0.5Na0.5TiO3-w{(1-x)BaTiO3-xBi[Zn2/3(Nb1-yTay)1/3]O3}+zM式I式I中，M表示MnO2；w、x、y分别表示钛酸钡-铌钽锌酸铋、铌钽锌酸铋和Ta的摩尔分数；z表示M的质量分数；其中，0.05≤w≤0.95，0.06≤x≤0.5，0.01≤y≤0.3，0≤z≤0.3。具体的，式I中，w＝0.5～0.65、0.5、0.53、0.6或0.65；x＝0.1～0.2、0.1、0.15或0.2；y＝0～0.2、0、0.1、0.12或0.2；z＝0～0.05、0、0.02或0.05。具体的，根据本专利技术的实施例，式I所示陶瓷材料具有但不限于下列之一所示的化学组分：1)(1-w)Bi0.5Na0.5TiO3-w{(1-x)BaTiO3-xBi[Zn2/3(Nb1-yTay)1/3]O3}；其中，w、x、y的定义同式I，w＝0.53～0.6，x＝0.1～0.2，y＝0～0.2；2)(1-w)Bi0.5Na0.5TiO3-w{(1-x)BaTiO3-xBi[Zn2/3(Nb1-yTay)1/3]O3}；其中，w、x、y的定义同式I，w＝0.53，x＝0.2，y＝0.2；3)(1-w)Bi0.5Na0.5TiO3-w{(1-x)BaTiO3-xBi[Zn2/3(Nb1-yTay)1/3]O3}；其中，w、x、y的定义同式I，w＝0.6，x＝0.1，y＝0；4)(1-w)Bi0.5Na0.5TiO3-w{(1-x)BaTiO3-xBi[Zn2/3(Nb1-yTay)1/3]O3}+zM；其中，w、x、y、z的定义同式I，w＝0.5～0.65，x＝0.1～0.15，y＝0.1～0.12，z＝0.02～0.05；M表示MnO2；5)(1-w)Bi0.5Na0.5TiO3-w{(1-x)BaTiO3-xBi[Zn2/3(Nb1-yTay)1/3]O3}+zM；其中，w、x、y、z的定义同式I，w＝0.5，x＝0.1，y＝0.1，z＝0.02；M表示MnO2；6)(1-w)Bi0.5Na0.5TiO3-w{(1-x)BaTiO3-xBi[Zn2/3(Nb1-yTay)1/3]O3}+zM；其中，w、x、y、z的定义同式I，w＝0.65，x＝0.15，y＝0.12，z＝0.05；M表示MnO2。本专利技术还提供了所述陶瓷材料的制备方法，包括如下1)或2)步骤：1)以分析纯的Na2CO3、Bi2O3、TiO2、BaCO3、ZnO、Nb2O5、Ta2O5和MnO2为原料，按照式I中的化学计量比配料，然后依次进行一次砂磨、一次烘干、煅烧、二次砂磨、二次烘干、造粒、压制成型、排胶和烧结，得到式I所示陶瓷材料；2)分别以分析纯的下述a)和b)为原料，按照式I中的化学计量比配料，然后依次进行一次砂磨、一次烘干、煅烧，分别得到Bi0.5Na0.5TiO3和(1-x)BaTiO3-xBi[Zn2/3(Nb1-yTay)1/3]O3；然后按照式I中的化学计量比将Bi0.5Na0.5TiO3和(1-x)BaTiO3-xBi[Zn2/3(Nb1-yTay)1/3]O3的混合粉体依次进行二次砂磨、二次烘干、造粒、压制成型、排胶和烧结，得到式I所示陶瓷材料；a)Na2CO3、Bi2O3和TiO2；b)BaCO3、TiO2、Bi2O3、ZnO、Nb2O5、Ta2O5和MnO2。上述的制备方法中，所述一次砂磨和所述二次砂磨的条件如下：砂磨介质为水或乙醇；砂磨介质的质量为原料总质量的2～10倍；砂磨轮次为10～80轮；上述的制备方法中，所述一次烘干和所述二次烘干的条件如下：温度为70～200℃；时间为12～24h。上述的制备方法中，所述煅烧的条件如下：温度为800～1000℃；时间为2～5h；所述造粒的条件如下：采用的粘合剂为聚乙烯醇；所述粘合剂的质量为原料总质量的5％～10％；所述排胶的条件如下：以180～200℃/h的升温速率升温到400～600℃并保温2～5h；所述烧结的条件如下：以180～200℃/h的升温速率升温到1000～1200℃并保温2～5h，再以180～200℃/h的降温速率降温至室温。本专利技术所提供的陶瓷材料可用于制备电容器或多层陶瓷电容器。具体地，本专利技术提供了一种多层陶瓷电容器，由若干间隔排列的电介质层和电极层组成，且最外两侧均为所述电介质层；所述电介质层由所述陶瓷材料组成。所述的多层陶本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种陶瓷材料，分子式如式I所示：/n(1-w)Bi

【技术特征摘要】
1.一种陶瓷材料，分子式如式I所示：
(1-w)Bi0.5Na0.5TiO3-w{(1-x)BaTiO3-xBi[Zn2/3(Nb1-yTay)1/3]O3}+zM
式I
式I中，M表示MnO2；
w、x、y分别表示钛酸钡-铌钽锌酸铋、铌钽锌酸铋和Ta的摩尔分数；z表示M的质量分数；其中，0.05≤w≤0.95，0.06≤x≤0.5，0.01≤y≤0.3，0≤z≤0.3。


2.权利要求1所述陶瓷材料的制备方法，包括如下1)或2)步骤：
1)以分析纯的Na2CO3、Bi2O3、TiO2、BaCO3、ZnO、Nb2O5、Ta2O5和MnO2为原料，按照式I中的化学计量比配料，然后依次进行一次砂磨、一次烘干、煅烧、二次砂磨、二次烘干、造粒、压制成型、排胶和烧结，得到式I所示陶瓷材料；
2)分别以分析纯的下述a)和b)为原料，按照式I中的化学计量比配料，然后依次进行一次砂磨、一次烘干、煅烧，分别得到Bi0.5Na0.5TiO3和(1-x)BaTiO3-xBi[Zn2/3(Nb1-yTay)1/3]O3；然后按照式I中的化学计量比将Bi0.5Na0.5TiO3和(1-x)BaTiO3-xBi[Zn2/3(Nb1-yTay)1/3]O3的混合粉体依次进行二次砂磨、二次烘干、造粒、压制成型、排胶和烧结，得到式I所示陶瓷材料；
a)Na2CO3、Bi2O3和TiO2；
b)BaCO3、TiO2、Bi2O3、ZnO、Nb2O5、Ta2O5和MnO2。


3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述一次砂磨和所述二次砂磨的条件如下：
砂磨介质为水或乙醇；砂磨介质的质量为原料总质量的2～10倍；砂磨轮次为10～80轮；
所述一次烘干和所述二次烘干的条件如下：
温度为70～200℃；时间为12～24h。


4.根据权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于：所述煅烧的条件如下：
温度为800～1000℃；时间为2～5h；
所述造粒的条件如下：
采用的粘合剂为聚乙烯醇；所述粘合剂的质量为原料总质量的5％～10％；
所述排胶的条件如下：
以180～200℃/h的升温速率升温到400～600℃并保温2～5h；
所述烧结的条件如下：
以180～200℃/h的升温速率升温到1000～1200℃并保温2～5h，再以180～200℃/h的降温速率降温至室温。


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【专利技术属性】
技术研发人员：王晓慧，赵培尧，陈玲玲，汪宏显，李龙土，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11