一种高电能存储效率的陶瓷材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种具有高电能存储效率的陶瓷材料及其制备方法，属于电子陶瓷材料技术领域，克服了现有技术中储能陶瓷电能存储效率低下，能量浪费严重的问题，制备的产品电能存储效率高、化学均匀性和电学稳定性好。本发明专利技术的电子陶瓷材料化学组成为(1‑x)((1‑y)BaTiO

A ceramic material with high electric energy storage efficiency and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种高电能存储效率的陶瓷材料及其制备方法
本专利技术属于功能陶瓷材料
，具体涉及一种高电能存储效率的陶瓷材料及其制备方法。
技术介绍
基于储能陶瓷材料制作的脉冲功率电容器具有功率密度高、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，在电力电子系统中起着关键作用。高储能密度陶瓷电容器可以用做新能源发电系统或电动汽车的逆变设备；可以在极短时间供给坦克、电磁炮、电气化发射平台以及综合全电力推进舰艇等超高负载的脉冲电流；可以用做粒子加速器、微波、激光、航天器等大功率发射装置等的驱动元件。其市场需求量大、产业化前景广阔。发展具有高电能存储效率的陶瓷材料，可以提高能源的利用效率，以及发展新型高性能的无铅储能陶瓷材料，符合新时期能源利用的要求，并且对储能陶瓷材料的研究和发展创造了机会。材料的化学对材料的性能起决定性作用。我们通过改变陶瓷材料的配方组分实现对其性能的优化。目前，储能电子陶瓷材料主要有铅基（Pb-）、钛酸钡基（BT-）、钛酸铋钠基（BNT-）、铁酸铋基（BF-）、铌酸钾钠基（KNN-）、铌酸银基（AN-）等。铅基储能电子陶瓷的储能密度大（＞2J/cm³），但储能效率较低（＜70%），并且含有毒重金属铅元素，危害人体健康。钛酸铋钠基的储能陶瓷受限于大的矫顽场和高的剩余极化强度，储能效率普遍低于75%，并且储能密度一般小于2J/cm³。铁酸铋由于Fe3+的存在，漏导严重，难以致密烧结，造成其击穿电压较低，储能密度不高，效率也较低。铌酸钾钠基储能陶瓷由于烧结温度窗口窄，对制备条件的要求高，并且在现有研究中其储能效率均低于65%。铌酸银基的储能陶瓷原料需要氧化银，价格高，成本较高，并且这种反铁电材料存在大的电致伸缩效应，不利于在应用在储能元件之中。综上所述，具有高电能存储效率的储能陶瓷材料在本领域尚待开发。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种高电能存储效率的陶瓷材料及其制备方法，配方组分新颖，制得的样品化学均匀性好，晶粒分布均匀，并且可承受大的外加电压，能释放出大的电能密度，具有超高的电能存储效率。本专利技术所采用的技术方案为：一种高电能存储效率的陶瓷材料，其化学组成为(1-x)((1-y)BaTiO3-y(Bi0.5Na0.5)TiO3)-xSr(Sc0.5Nb0.5)O3，x和y表示陶瓷体系中的摩尔比例，其中x为0.05-0.15，y为0.35。高电能存储效率的陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：1）对(1-x)((1-y)BaTiO3-y(Bi0.5Na0.5)TiO3)-xSr(Sc0.5Nb0.5)O3的配方组分进行化学比例的计算，然后称量高纯的Bi2O3、、Na2CO3、BaCO3、SrCO3、Sc2O3、TiO2及Nb2O5原料粉末，并加入无水乙醇充分球磨，获得均匀的混合料，在干燥箱内烘干；2）对步骤1）制得的粉体过筛后，在880-920℃预烧结，自然冷却至室温，出炉，再次球磨，烘干，制得粉体；3）对步骤2）得到的粉体加入聚乙烯醇，混合均匀，然后利用粉末压片机，在150MPa压力下压成圆状坯片；4）对步骤3）制得的圆状坯片在600℃保温排出内部有机物，然后以一定速率升温至1140-1180℃高温烧结，制得高电能存储效率的陶瓷材料。进一步的，所述步骤4）中，600℃的保温时间为4h，在1140-1180℃烧结时的保温时间为4h，升温速率为3℃/min。进一步的，所述步骤1）中，球磨机的转速为340r/min，球磨时间为24h，干燥箱温度设置为80℃；所述步骤2）中，预烧结时将粉体置于高纯氧化铝坩埚内，保温时间为2h。进一步的，所述步骤3）中，聚乙烯醇溶液浓度为5%，加入量为6%-7%。本专利技术具有以下优点：本专利技术采用固相烧结法制备得到的储能陶瓷，较现有储能陶瓷电容器的电能存储效率有大幅提升。采用本工艺流程制备的样品不需要真空、高压的合成条件就可以在高温下合成高性能的陶瓷材料，其晶粒大小均匀，化学均匀性以及电学均匀性高。本专利技术制备的陶瓷材料在外加电场强度为175kV/cm时，最大储能效率为91%，储能密度为1.63J/cm³。本专利技术制备的储能陶瓷材料在组分和性能上具有技术上的创新和性能上的突破，完全可应用于高功率、高稳定性的电子脉冲元器件上，具有重大的实用价值和经济价值。附图说明图1为实施例1中0.90(BT-35BNT)-0.10SSN储能陶瓷的X-射线衍射图；图2为实施例1中0.90(BT-35BNT)-0.10SSN储能陶瓷的微观形貌图；图3为实施例2中BT-35BNT储能陶瓷的电滞回线；图4为实施例3中烧结温度为1180℃时，0.85(BT-35BNT)-0.15SSN储能陶瓷的电滞回线图；图5为实施例4中烧结温度为1170℃时，0.90(BT-35BNT)-0.10SSN储能陶瓷的介电温谱图；图6为实施例4中烧结温度为1170℃时，0.90(BT-35BNT)-0.10SSN储能陶瓷的电滞回线图。具体实施方式：下面结合具体实施方式对本专利技术进行详细的说明。本专利技术涉及一种高电能存储效率的陶瓷材料及其制备方法，配方化学组成为(1-x)((1-y)BaTiO3-y(Bi0.5Na0.5)TiO3)-xSr(Sc0.5Nb0.5)O3，采用固相烧结法制备得到。本专利技术所述方法包括以下步骤：1、称取原料按照(1-x)((1-y)BaTiO3-y(Bi0.5Na0.5)TiO3)-xSr(Sc0.5Nb0.5)O3的化学组成计算化学计量比例，称取高纯的Bi2O3、Na2CO3、BaCO3、SrCO3、Sc2O3、TiO2及Nb2O5原料粉末。2、球磨烘干：将原料混合粉末置于球磨罐中，加入无水乙醇，在行星式球磨机上球磨24h，然后取出，在干燥箱内80oC烘干。3、预烧结：将球磨烘干后的粉体置于高纯氧化铝坩埚内，在高温烧结炉中880-920oC预烧结。预烧结的保温时间为2h。4、造粒压片：将预烧结粉体再次球磨24h，烘干，加入7wt%的PVA造粒，然后在压片机上施加150MPa的压力，模压成型得到直径12mm，厚度1.2-1.5mm的圆片。5、高温烧结：将压好的圆片在600oC保温4h排胶，在高温烧结炉内1140-1180oC烧结。高温烧结的保温时间为4h。烧结完毕，样品随炉冷却至室温，得到具有高电能存储效率的陶瓷材料。本专利技术中的方法如无特别说明均为常规方法。本专利技术使用的原料粉末及纯度为BaCO3(99%)、Na2CO3(99.99%)、SrCO3(99%)、Bi2O3(99%)、Sc2O3(99.99%)、TiO2(99%)及Nb2O5(99.99%)，均购于国药集团化学试剂有限公司。本专利技术涉及的能量密度与能量效率数据均来自于美国Agilent铁电综合分析仪测得极化-电场强度（P-E）曲线的计算结果。实施例1...

【技术保护点】
1.一种高电能存储效率的陶瓷材料，其特征在于，其化学组成为(1-x)((1-y)BaTiO

【技术特征摘要】
1.一种高电能存储效率的陶瓷材料，其特征在于，其化学组成为(1-x)((1-y)BaTiO3-y(Bi0.5Na0.5)TiO3)-xSr(Sc0.5Nb0.5)O3，x和y表示陶瓷体系中的摩尔比例，其中x为0.05-0.15，y为0.35。


2.根据权利要求1所述的高电能存储效率的陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）对(1-x)((1-y)BaTiO3-y(Bi0.5Na0.5)TiO3)-xSr(Sc0.5Nb0.5)O3的配方组分进行化学比例的计算，然后称量高纯的Bi2O3、、Na2CO3、BaCO3、SrCO3、Sc2O3、TiO2及Nb2O5原料粉末，并加入无水乙醇充分球磨，获得均匀的混合料，在干燥箱内烘干；
2）对步骤1）制得的粉体过筛后，在880-920℃预烧结，自然冷却至室温，出炉，再次球磨，烘干，制得粉体；
3）对步骤2）得到的粉体加入聚乙烯醇，...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴中华，谢景龙，樊星，刘卫国，
申请(专利权)人：西安工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61