一种无铅铁酸铋基陶瓷材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种无铅铁酸铋基陶瓷材料，该无铅铁酸铋基陶瓷材料的化学组成为(1‑x)[(1‑y)BiFeO

【技术实现步骤摘要】
一种无铅铁酸铋基陶瓷材料及其制备方法
本专利技术涉及电介质材料领域，尤其是涉及一种无铅铁酸铋基高储能密度和储能效率陶瓷材料及其制备方法。
技术介绍
随着全球经济和信息技术的快速发展，能源的需求量日益增加，并且电子元器件小型化和集成化的发展趋势对材料性能的要求越来越高。陶瓷电介质电容器因其充放电速度快、功率密度高、循环寿命长、使用温度范围宽、安全性好等特点，在激光、雷达、移动通信、航空航天等众多领域得到广泛的应用。目前产业化的陶瓷电介质电容器主要是铅基反铁电材料，但是铅基陶瓷材料中含有大量的铅元素，在制造和使用过程中会对环境和人体健康带来一系列的危害，因而世界各国逐渐限制含铅材料的使用。面对这一问题，人们正在不断的积极寻找和开发新型的无铅陶瓷介质材料。以钛酸钡、钛酸铋钠、钛酸锶、铌酸钾钠、铌酸银、铁酸铋等为基体的材料成为目前主要研究的几类无铅储能陶瓷介质材料体系。在这几类陶瓷体系中，铁酸铋基陶瓷的烧结温度低且烧结温度区间较宽、极化强度和居里温度高，在电介质储能领域受到越来越多的关注。然而铁酸铋基陶瓷的漏导和损耗大、击穿电场强度较低，不利于高储能密度的获得。为此，人们采用多种多样的方法来降低铁酸铋基陶瓷的漏导和损耗，进而提高其击穿电场强度和储能密度。专利(授权公告号104649660)采用Al、Ga、Y、Sc、Cr、Co元素对BiFeO3基陶瓷材料进行改性，获得了0.90J/cm3的储能密度；专利(申请号201811021465.X)通过在BiFeO3-BaTiO3基无铅铁电陶瓷体系中引入Ba(Zn1/3Ta2/3)O3，在室温下获得1.56-2.56J/cm3的储能密度，其储能效率为53-82％。到目前为止，铁酸铋基无铅储能陶瓷的储能密度和储能效率均在3J/cm3和80％以下，难以同时获得兼具高储能密度、高储能效率、低损耗的铁酸铋基陶瓷介质材料，限制了该体系在电介质储能领域中的应用。
技术实现思路
本专利技术的目的为提供一种无铅铁酸铋基高储能密度和储能效率陶瓷材料及其制备方法，更好的克服现有的无铅储能陶瓷储能密度和储能效率低、以及击穿电场强度小的缺陷。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种无铅铁酸铋基陶瓷材料，该无铅铁酸铋基陶瓷材料的化学组成为(1-x)[(1-y)BiFeO3-yBaTiO3]-xNa0.73Bi0.09NbO3+zMn3O4；其中，x＝0.06-0.14，y＝0.30-0.34，z＝0.1-0.2wt％(z为Mn3O4与(1-x)[yBiFeO3-(1-y)BaTiO3]-xNa0.73Bi0.09NbO3的质量百分比)。优选地，所述的铁酸铋基陶瓷材料中x＝0.12，y＝0.33，z＝0.1wt％。本专利技术首次通过在BiFeO3-BaTiO3二元体系中引入一定量的Na0.73Bi0.09NbO3成分，并添加适量的Mn3O4降低制备出的BiFeO3-BaTiO3-Na0.73Bi0.09NbO3材料的漏导，进而提高其绝缘性。在保持铁酸铋高饱和极化强度的同时显著地降低了漏导、减小了剩余极化强度、提高了击穿电场强度(＞400kV/cm)，使铁酸铋基无铅陶瓷介质的储能密度得到大幅度的提升，并且不含有毒有害的铅元素，在激光、雷达、移动通信、航空航天等众多领域中拥有广泛的应用前景，具有重大的实际应用价值。本专利技术的组成中，Na0.73Bi0.09NbO3添加量如果过高，则会显著的降低铁酸铋的最大极化强度(Pmax)，不利于储能密度的提高；添加量如果过低，则难以降低剩余极化强度(Pr)，不利于获得较高的储能效率。引入Mn3O4主要是为了防止铁酸铋中的Fe元素在高温下变价，使制备出的材料的绝缘性提高、漏电流减小。Mn3O4添加量如果过高，则容易出现过剩的电子或杂相，不利于耐击穿性能的提高；添加量如果过低，则达不到降低漏电流的效果。本专利技术还提供一种无铅铁酸铋基陶瓷材料的制备方法，该制备方法包括以下步骤：(1)以Bi2O3、Fe2O3、BaCO3、TiO2、Na2CO3、Nb2O5和Mn3O4为原料，按照所述的无铅铁酸铋基陶瓷材料的化学组成称取原料，将各原料混合均匀，得到初始原料粉体；(2)将步骤(1)得到的初始的原料粉体在密闭、720-750℃条件下煅烧6-8小时得到预合成陶瓷粉体；(3)将步骤(2)得到的预合成的陶瓷粉体和Mn3O4混合并混合均匀，将得到的混合物料烘干、过筛得到陶瓷粉体；(4)将步骤(3)得到的陶瓷粉体与有机溶剂、乳化剂、增塑剂、粘结剂和分散剂混合均匀得到陶瓷浆料；(5)步骤(4)得到的陶瓷浆料经过流延成型制成陶瓷膜，该陶瓷膜经过压制成型得到陶瓷生坯；(6)步骤(5)得到的陶瓷生坯经过排胶、烧结得到所述的无铅铁酸铋基陶瓷材料。所述的原料中，Bi2O3、Fe2O3、BaCO3、TiO2、Na2CO3、Nb2O5和Mn3O4的纯度均大于98％。所述的步骤(1)和步骤(3)中，采用球磨将物料混合均匀，球磨时，采用无水乙醇和ZrO2球作为球磨介质，ZrO2球与待处理物料的质量比为1.5-2.0:1，无水乙醇与待处理物料的质量比为1.2-1.5:1。步骤(1)和步骤(3)中，球磨时球磨机的转速为400-450r/min，球磨时间为10-15h。步骤(3)中，所述的过筛过程中筛网的目数为120-200目。烘干的目的为除去球磨过程中加入的无水乙醇介质，烘干的温度为100℃。优选地，步骤(3)中，所述的混合物料烘干的温度为100℃，过筛时筛网的目数为200。所述的原料中，步骤(4)中，所述的有机溶剂为无水乙醇和丁酮的混合物，其中所述的无水乙醇的添加量为陶瓷粉体质量的50-55％，丁酮的添加量为陶瓷粉体质量的90-100％；所述的乳化剂为三油酸甘油脂，添加量为陶瓷粉体质量的3-3.5％；所述的增塑剂为邻苯二甲酸二丁酯，添加量为陶瓷粉体质量的3-3.5％；所述的粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛，添加量为陶瓷粉体质量的9-9.5％；所述的分散剂为聚乙二醇，添加量为陶瓷粉体质量的3-3.5％。所述的原料中，步骤(5)中，所述的陶瓷膜经过裁剪得到设计尺寸的陶瓷膜，裁剪后的陶瓷膜在35-40℃和50-250MPa下进行加压，得到所述的陶瓷生坯。优选地，步骤(5)中，裁剪后的陶瓷膜采用50MPa、100MPa、150MPa、200MPa和250MPa依次加压，在加压过程中将温度控制在40℃。一般，可以将陶瓷膜裁切为12mm×12mm的陶瓷膜。所述的原料中，步骤(6)中，排胶过程的温度为550-600℃，保温时间为8-10h；排胶后的陶瓷生坯在密闭条件，以3-4℃/min的升温速率从室温升至1000-1020℃并保温2-3h，随后冷却到室温即得到无铅铁酸铋基陶瓷材料。特别地，在排胶过程中，如果温度过低或保温时间过短，均不利于流延成型工艺中添加的有机物完全排除，导致制备出的陶瓷不够致密，影响耐压性能；如果保温时间过长或温度过高，会造成不必要的能源浪费。本专利技术通过固本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无铅铁酸铋基陶瓷材料，其特征在于，该无铅铁酸铋基陶瓷材料的化学组成为(1-x)[(1-y)BiFeO

【技术特征摘要】
1.一种无铅铁酸铋基陶瓷材料，其特征在于，该无铅铁酸铋基陶瓷材料的化学组成为(1-x)[(1-y)BiFeO3-yBaTiO3]-xNa0.73Bi0.09NbO3+zMn3O4；
其中，x＝0.06-0.14，y＝0.30-0.34，z＝0.1-0.2wt％，z为Mn3O4与(1-x)[yBiFeO3-(1-y)BaTiO3]-xNa0.73Bi0.09NbO3的质量百分比。


2.根据权利要求1所述的一种无铅铁酸铋基陶瓷材料，其特征在于，所述的铁酸铋基陶瓷材料优选为x＝0.12，y＝0.33，z＝0.1wt％。


3.一种如权利要求1所述的无铅铁酸铋基陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)以Bi2O3、Fe2O3、BaCO3、TiO2、Na2CO3、Nb2O5和Mn3O4为原料，按照所述的无铅铁酸铋基陶瓷材料的化学组成称取原料，将各原料混合均匀，得到初始原料粉体；
(2)将步骤(1)得到的初始的原料粉体在密闭、720-750℃条件下煅烧6-8小时得到预合成陶瓷粉体；
(3)将步骤(2)得到的预合成的陶瓷粉体和Mn3O4混合均匀，将得到的混合物料烘干、过筛得到陶瓷粉体；
(4)将步骤(3)得到的陶瓷粉体与有机溶剂、乳化剂、增塑剂、粘结剂和分散剂混合均匀得到陶瓷浆料；
(5)步骤(4)得到的陶瓷浆料经过流延成型制成陶瓷膜，该陶瓷膜经过压制成型得到陶瓷生坯；
(6)步骤(5)得到的陶瓷生坯经过排胶、烧结得到所述的无铅铁酸铋基陶瓷材料。


4.根据权利要求3所述的一种无铅铁酸铋基陶瓷材料，其特征在于，所述的原料中，Bi2O3、Fe2O3、BaCO3、TiO2、Na2CO3、Nb2O5和Mn3O4的纯度均大于98％。


5.根据权利要求3所述的一种无铅铁酸铋基陶瓷材...

【专利技术属性】
技术研发人员：翟继卫，闫非，沈波，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海;31