一种具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料及其制备方法，化学式为：(1‑x)(Na

A ceramic material with high energy storage performance and super fast discharge rate and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料及其制备方法
本专利技术属于电介质储能陶瓷材料
，具体是一种具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料及其制备方法。
技术介绍
目前，陶瓷电容器已广泛应用于电视、移动通信、测量仪器等电子设备中。然而，随着电子工业的快速发展和不可再生资源的浪费，现有的储能介质电容器由于介质材料的性能较差，已经不能满足社会发展日益增长的需求，这激发了人们对高性能陶瓷介质材料的探索兴趣。与铁电材料和线性介电材料相比，反铁电材料具有更高的能量密度，因为它们具有双电滞回线。但由于反铁电相向铁电相转变时导致能量损失较大(储能效率较低)，这就限制了反铁电陶瓷电介质的应用，从而促进了对高储能性能无铅陶瓷的进一步探索。Na0.5Bi0.5TiO3(NBT)基陶瓷由于其环境友好型、较大的饱和极化强度、较强的铁电性和介电性能，被认为是高性能电介质电容器的重要候选材料。与具有超低能量损耗和高击穿强度的线性介质SrTiO3(ST)形成固溶体是提高NBT铁电体储能密度和效率的常规方法，因为固溶体可以进一步破坏长程铁电序，提高弛豫度。因为Sr2+的引入能打破铁电体的长程秩序，在基体中产生极性纳米微区，同时具有维持大的饱和极化强度和抑制剩余极化强度的能力。因此，(Na0.5Bi0.5)0.7Sr0.3TiO3引起了研究者的极大兴趣。然而，(Na0.5Bi0.5)0.7Sr0.3TiO3陶瓷仍然存在由于其介电击穿场较低和剩余极化强度较大而引起储能密度较低、介电损耗较大的问题，这严重阻碍它的实际应用。此外，电介质材料的脉冲充放电特性(如电流密度、功率密度和放电速率)对于实际应用更有意义，但往往被研究者们忽略。具有双重特性(高储能性能和超快放电速率)的电介质材料才具有真正的实用和商用价值。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料及其制备方法，这种陶瓷材料具有高的介电击穿强度、储能密度、储能效率和超快的放电速率。本专利技术是通过以下技术方案来实现：一种具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料，其特征在于，所述具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料的化学式为：(1-x)(Na0.5Bi0.5)0.7Sr0.3TiO3-xBi(Mg2/3Nb1/3)O3，其中，0.05≤x≤0.20。优选的，所述具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料在室温和10Hz频率的条件下，储能密度为2.33～3.45J/cm3，储能效率为82.50％～88.50％；x为0.20时，在室温和120kV/cm电场强度的条件下电流密度为641.19A/cm2，功率密度为38.47MW/cm3，放电时间为52.8ns。所述的具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将SrCO3、Na2CO3、TiO2、Bi2O3、MgO和Nb2O5混合均匀，得到原料粉体，压块、预烧得到块状固体，再将块状固体粉碎过筛，得到预烧粉体；(2)将步骤(1)获得的预烧粉体经球磨获得原料粉体；(3)将步骤(2)得到的原料粉体压片成型，再烧结成瓷，得到具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料。优选的，步骤(1)中，混合均匀具体是；以无水乙醇为介质进行球磨，球磨时间为22～24小时，球磨后干燥、过筛。优选的，步骤(1)中，预烧是在800～900℃预烧3～5小时。优选的，步骤(2)中，球磨采用的介质为无水乙醇，球磨时间为22～24小时，球磨后进行干燥。优选的，步骤(3)中，压片成型具体是采用冷等静压成型的方法。优选的，冷等静压成型是在190～210MPa的压强下保压3～5分钟成型。优选的，步骤(3)中，烧结成瓷具体是在1100～1200℃下保温2～5小时。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：本专利技术材料(1-x)(Na0.5Bi0.5)0.7Sr0.3TiO3-xBi(Mg2/3Nb1/3)O3，Bi(Mg2/3Nb1/3)O3的引入降低了基体材料的平均晶粒尺寸，这有利于获得致密的微观结构，从而提高介电击穿强度，而Bi3+的6s2孤对电子构型的引入抑制了剩余极化强度。选择(Na0.5Bi0.5)0.7Sr0.3TiO3为基体，通过引入Bi(Mg2/3Nb1/3)O3降低晶粒尺寸来提高介电击穿场强且抑制了剩余极化强度，从而获得具有增强的储能性能的陶瓷电介质材料。在固溶量大于0.15mol时，陶瓷的剩余极化强度开始变得增大，导致储能效率的降低，因此，本专利技术通过引入Bi(Mg2/3Nb1/3)O3并控制Bi(Mg2/3Nb1/3)O3的固溶量，克服了大多数陶瓷介质材料介电击穿场强和储能密度较低、介电损耗较大的缺点。此外，本专利技术材料致密度高，储能密度和储能效率的温度稳定性和频率稳定性优异，且放电速率超快，可满足不同应用的需求，并且环境友好，有望作新一代环境友好的储能陶瓷介质材料，为开发一系列具有显著增强储能性能的(Na0.5Bi0.5)0.7Sr0.3TiO3基无铅陶瓷奠定了基础。进一步的，本专利技术材料在室温下(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和效率，储能密度达到2.33～3.45J/cm3，储能效率达到82.50％～88.50％；并且本专利技术中的具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料的储能密度和效率的温度稳定性和频率稳定性良好，在10Hz、30～150℃下，其在200kV/cm电场强度下的储能密度保持在2.34～2.47J/cm3之间，储能效率保持在83.86％～97.47％之间；在室温、1～100Hz下，其在200kV/cm电场强度下的储能密度保持在2.33～2.52J/cm3之间，储能效率保持在79.68％～88.21％之间，此外，x为0.2时，具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料在室温和120kV/cm电场强度下的电流密度可达641.19A/cm2，功率密度可达38.47MW/cm3,放电时间更是短至52.8ns。本专利技术中的具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料的储能性能分别在30～150℃温度范围内和1～100Hz频率范围内具有良好的稳定性，适用于较宽的工作温度、频率范围和应用领域；且具有优异超高的电流密度和功率密度以及超快的放电速率，有望应用在先进储能领域。本专利技术将原料粉料混合均匀后进行干燥过筛，然后压制成型，后烧结，即可得到具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料。本专利技术制备工艺简单易实现，所用原料中不含铅等污染性元素，对环境无污染，且所用原料中不含稀土元素和贵金属元素，原料价格低廉，适合工业化批量生产。附图说明图1：实施例1所制备的具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料的XRD图；图2：实施例2所制备的无具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料的XRD图；图3：实施例3所制备的具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料的XRD图；图4：实施例4所制备的具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料的XRD图；<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料，其特征在于，所述具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料的化学式为：(1-x)(Na

【技术特征摘要】
1.一种具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料，其特征在于，所述具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料的化学式为：(1-x)(Na0.5Bi0.5)0.7Sr0.3TiO3-xBi(Mg2/3Nb1/3)O3，其中，0.05≤x≤0.20。


2.根据权利要求1所述的具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料，其特征在于，所述具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料在室温和10Hz频率的条件下，储能密度为2.33～3.45J/cm3，储能效率为82.50％～88.50％；x为0.20时，在室温和120kV/cm电场强度的条件下电流密度为641.19A/cm2，功率密度为38.47MW/cm3，放电时间为52.8ns。


3.权利要求1或2所述的具有高储能性能和超快放电速率的陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将SrCO3、Na2CO3、TiO2、Bi2O3、MgO和Nb2O5混合均匀，得到原料粉体，压块、预烧得到块状固体，再将块状固体粉碎过筛，得到预烧粉体；
(2)将步骤(1)获得的预烧粉体经球磨获得原料粉体；
(3)将步骤(2)得到的原料粉体压片成型，再烧结成瓷，得到具有高储能性能和超快放电速率的陶...

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