一种高储能铌酸银基无铅反铁电陶瓷及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高储能铌酸银基无铅反铁电陶瓷及其制备方法，该陶瓷化学式为Ag

A high energy storage silver niobate based lead-free antiferroelectric ceramics and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种高储能铌酸银基无铅反铁电陶瓷及其制备方法
本专利技术涉及一种反铁电陶瓷及其制备方法，更具体地，涉及一种高储能铌酸银基无铅反铁电陶瓷及其制备方法。
技术介绍
高储能密度陶瓷是制作高储能电介质电容器的关键材料之一，高储能密度陶瓷的能量存储密度和储能效率决定了电容器的能量存储密度和储能效率，进而决定了电容器在混合动力电动车辆、医疗设备、脉冲功率系统等工业领域的应用潜力。目前储能介电陶瓷材料主要有线性陶瓷、铁电陶瓷以及反铁电陶瓷三类，其中反铁电陶瓷具有双电滞回线，并且在外加电场超过相变电场后，反铁电陶瓷的极化强度会突增，且反铁电陶瓷理论上剩余极化为零，具有良好的储能效率；AN基AgNbO3陶瓷材料以较低的烧结温度和优异的反铁电性逐渐成为了近年来备受瞩目的新型无铅介电材料，然而，纯AN陶瓷的储能密度较低，目前一般是通过掺杂改性来提高AN基陶瓷的反铁电性，进而提高储能性能，例如，在Nb所在的B位单独掺杂Ta5+，就可以提高AN体系的反铁电性，增大储能，AgNb0.9Ta0.1O3陶瓷的储能密度可达3.3J/cm3。在Ag所在的A位和Nb所在的B位共掺的Ag0.94Sm0.02Nb0.9Ta0.1O3陶瓷能够将仅在B位掺杂Ta5+的AgNb0.9Ta0.1O3陶瓷的储能密度提高到4.87J/cm3。这是因为对于AN体系而言，A位掺杂小离子半径可以提高体系的反铁电性，增大击穿电场，这有助于储能性能的提高。然而，由于Sm3+的离子半径较小，所以如果想获得较好的储能性能，就需要稍大的掺杂量，造成材料的浪费；同时，虽然增强的反铁电性能够使击穿电场增大，但会导致最大极化的下降，而储能性能是由击穿电场和最大极化同时决定的，Sm3+的大量掺杂并不能对于储能性能产生大量提升。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的目的是提供一种高储能密度、高储能效率、A位微量掺杂的高储能铌酸银基无铅反铁电陶瓷，本专利技术的另一目的是提供该高储能铌酸银基无铅反铁电陶瓷的制备方法。技术方案：本专利技术所述高储能铌酸银基无铅反铁电陶瓷化学式为Ag1-3xLaxNb0.9Ta0.1O3，其中x为摩尔百分比，x的取值满足电中性。其中，x的取值为：0<x≤0.04，储能密度为3.6J/cm3～4.6J/cm3，储能效率为56％～65％。本专利技术所述的高储能铌酸银基无铅反铁电陶瓷的制备方法包括以下步骤：(1)按化学式Ag1-3xLaxNb0.9Ta0.1O3中的计量比称取原料，将原料进行球磨混合、烘干、过筛、压片，再将原料预烧结4～6小时，得到粗坯；(2)将粗坯研碎，再进行二次球磨、烘干、过筛、造粒、单轴压制成型后，进行冷等静压制成型，得到素坯；(3)将素坯排胶后进行烧结，得到陶瓷片；(4)将陶瓷片打磨、抛光为陶瓷薄片，刷上银电极后，再进行煅烧、冷却。其中，步骤(1)中过筛筛网为80目～90目，压片压力为45Mpa～60Mpa，预烧结温度为880℃-900℃，气氛为纯氧气氛；步骤(2)中造粒时选用聚乙烯醇溶液，其加入量为筛选粉料质量的3％-8％，单轴压制成型压力为300MPa-500MPa，冷等静压压力为200MPa-300Mpa；步骤(3)中排胶和烧结都在纯氧气氛下进行，烧结温度为1080℃-1120℃；步骤(4)中陶瓷薄片的厚度为0.2mm-0.3mm，烧银温度为550℃-650℃，保温时间为20min-30min。有益效果：本专利技术与现有技术相比，其显著优点是：A位选用微量的La3+进行掺杂即可得到高储能密度和高储能效率的储能陶瓷，在Ag1-3xLaxNb0.9Ta0.1O3中A位掺杂量x仅为0.005时，储能密度就能够达到4.6J/cm3，储能效率高达59％。附图说明图1是实施例1、实施例2、实施例3在小电场下的极化强度-电场的关系曲线图；图2是实施例1极化强度-电场的关系曲线以及电场-电流关系曲线图；图3是实施例1、实施例2、对比例在大电场下的极化强度-电场的关系曲线图；图4是实施例1、实施例2、实施例3、对比例的击穿电场与掺杂量的关系图；图5是实施例1、实施例2、实施例3、对比例的储能密度及储能效率与掺杂量的关系图。具体实施方式实施例1制备Ag0.985La0.005Nb0.9Ta0.1O3陶瓷：称取高纯Ag2O粉体4.5802g、高纯Nb2O5粉体4.7851g、高纯Ta2O5粉体0.8839g、高纯La2O3粉体0.033g，将称重好的粉体倒入玛瑙球磨罐中，然后向球磨罐中加入无水乙醇作为球磨溶剂，混合球磨24h，球磨转速选择为300转/分，球磨完后，再将球磨好的混合料放80℃烘箱烘干12h；将烘干后的粉体充分研磨、过80目筛，然后采用50Mpa压力将其压制成直径20mm的胚体，把胚体于880℃在氧气氛下预烧6h，其中升温和降温速率均为5℃/min；将烧结好的瓷片研碎后进行二次球磨、烘干、过120目筛，然后加入质量分数为5％的聚乙烯醇PVA水溶液进行造粒，聚乙烯醇溶液加入质量选为筛选粉料质量的5％；把造粒后的粉末用400MPa的压力压制成直径10mm，厚度为1.5mm的胚体，然后在280Mpa下冷等静压得到生片；将圆片置于纯氧气氛下在600℃排胶2h，然后升至1090℃后保温6h，其中升温和降温速率均为5℃/min；将陶瓷片打磨、抛光至0.30mm的薄片，清洗烘干后用丝网印刷的方式刷上直径为3mm的银电极，在600℃空气气氛下烧结30min，得到Ag0.985La0.005Nb0.9Ta0.1O3陶瓷。实施例2制备Ag0.97La0.01Nb0.9Ta0.1O3陶瓷：称取高纯Ag2O粉体5.4623g、高纯Nb2O5粉体5.9867g、高纯Ta2O5粉体1.1048g、高纯La2O3粉体0.1629g，将称重好的粉体倒入玛瑙球磨罐中，然后向球磨罐加入无水乙醇作为球磨溶剂，混合球磨24h，球磨转速选择为300转/分，球磨完后，再将球磨好的混合料放80℃烘箱烘干12h；将烘干后的粉体充分研磨、过80目筛，然后采用50Mpa压力将其压制成直径20mm的胚体，把胚体于900℃在氧气氛下预烧6h，其中升温和降温速率均为5℃/min；将烧结好的瓷片研碎后进行二次球磨、烘干、过120目筛，然后加入质量分数为5％的聚乙烯醇PVA水溶液进行造粒，聚乙烯醇溶液加入质量选为筛选粉料质量的8％。把造粒后的粉末用300MPa的压力压制成直径10mm，厚度为1.5mm的胚体，然后在200Mpa下冷等静压得到生片；将圆片置于纯氧气氛下在600℃排胶2h，然后升至1090℃后保温6h，其中升温和降温速率均为5℃/min；将陶瓷片打磨、抛光至0.30mm的薄片，清洗烘干后用丝网印刷的方式刷上直径为3mm的银电极，在650℃空气气氛下烧结20min，得到Ag0.97La0.01Nb0.9Ta0.1O3陶瓷。实施例3制备Ag0.94La0.02Nb0.9Ta0.1O3陶瓷：称取高纯Ag2O粉体5.2879g、高本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高储能铌酸银基无铅反铁电陶瓷，其特征在于，所述无铅反铁电陶瓷化学式为Ag

【技术特征摘要】
1.一种高储能铌酸银基无铅反铁电陶瓷，其特征在于，所述无铅反铁电陶瓷化学式为Ag1-3xLaxNb0.9Ta0.1O3，其中x为摩尔百分比，x的取值满足电中性。


2.根据权利要求1所述的高储能铌酸银基无铅反铁电陶瓷，其特征在于，所述x的取值为：0<x≤0.04。


3.根据权利要求2所述的高储能铌酸银基无铅反铁电陶瓷，其特征在于，所述无铅反铁电陶瓷储能密度为3.6J/cm3～4.6J/cm3，储能效率为56％～65％。


4.一种权利要求1所述的高储能铌酸银基无铅反铁电陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)按化学式Ag1-3xLaxNb0.9Ta0.1O3中的计量比称取原料，将原料进行球磨混合、烘干、过筛、压片，再将原料预烧结4～6小时，得到粗坯；
(2)将粗坯研碎，再进行二次球磨、烘干、过筛、造粒、单轴压制成型后，进行冷等静压制成型，得到素坯；
(3)将素坯排胶后进行烧结，得到陶瓷片；
(4)将陶瓷片打磨、抛光为陶瓷薄片，刷上银电极后，再进行煅烧、冷却。

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【专利技术属性】
技术研发人员：郭艳艳，范庆宇，张瑾，赵江，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32