一种储能效率加强高储能无铅铁电陶瓷材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及功能材料与器件领域，针对现有储能陶瓷材料的击穿场强和有效储能密度较低的问题，公开了一种储能效率加强高储能无铅铁电陶瓷材料及其制备方法，该陶瓷的化学组成为(1

【技术实现步骤摘要】
一种储能效率加强高储能无铅铁电陶瓷材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及功能材料与器件领域，尤其涉及一种储能效率加强高储能无铅铁电陶瓷材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着电子元器件的小型化和集成化，这就对电子材料提出了更高的要求。相对于电池，化学电容器等能量存储器件，电介质电容器具有功率密度高，放电速度快，使用寿命长等优点，块体陶瓷电介质电容器更是具有较高的温度稳定性以及储能总量。能够广泛应用于高功率脉冲武器，电磁发射器，能源存储以及混合动力交通工具逆变设备中。
[0003]目前商用的储能陶瓷材料主要集中在铅基材料中，但是，随着环境恶化问题日益加重，因此，开发出具有储能效率加强高储能新型无铅储能材料就显得至关重要。作为一种无铅的反铁电材料，NaNbO3在最近的储能应用中重新引起了人们的关注。但是，其中具有Pbma空间基团的反铁电P相在室温下是不稳定的，并且在大的外部电场的响应下倾向于不可逆地向铁电相转变。根据报道，一些NaNbO3基固溶体在室温下表现出稳定的反铁电正交P相，但观察到其中有非常大的相位切换滞后，除此之外它们的击穿场强和有效储能密度也相对较低，这限制了其储能应用潜力，依然无法取代铅基陶瓷材料。
[0004]专利号CN202011080909.4，专利名称“一种新型高储能、高效率的铌酸钠基陶瓷材料及其制备方法”，本专利技术公开了一种新型高储能、高效率的铌酸钠基陶瓷材料，组成式为 (1
‑
x)[0.9NaNbO3‑
0.1Bi(Mg
2/3
Ta
1/3
)O3]‑
x(Bi
0.5
Na
0.5
)
0.7
Sr
0.3
TiO3，x为摩尔百分比，0≤x≤0.40，本专利技术还公开了一种铌酸钠基陶瓷材料的制备方法，包括所述的一种新型高储能、高效率的铌酸钠基陶瓷材料，还包括如下步骤：制备铌酸钠基陶瓷粉体；将铌酸钠基陶瓷粉料放入球磨罐中进行预定处理后，产物压成坯体进行预烧；预烧完成后将产物倒入球磨罐中再次进行预定处理，完成后将粉体用模具压成圆片；将圆片在马弗炉中按烧结条件进行烧结即可制备铌酸钠基陶瓷材料，通过引入强铁电体Bi(Mg
2/3
Ta
1/3
)O3和(Bi
0.5
Na
0.5
)
0.7
Sr
0.3
TiO3与NaNbO3反铁电体形成均匀固溶体，以提高陶瓷材料最大极化强度和击穿场强，从而提升了介电陶瓷材料的储能密度。其不足之处在于，其有效储能密度有待提升。

技术实现思路

[0005]本专利技术是为了克服现有储能陶瓷材料的击穿场强和有效储能密度较低的问题，提供一种储能效率加强高储能无铅铁电陶瓷材料及其制备方法，首次将钙钛矿结构的CaTiO3引入到铌酸钠基陶瓷中进行掺杂改性，达到高击穿场强的同时获得高储能密度高效率，不但拓展了掺杂改性的研究方向，而且制备出了一种有应用前景的无铅储能陶瓷材料。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种储能效率加强高储能无铅铁电陶瓷材料，该陶瓷的化学组成为(1
‑
x)NaNbO3‑
xCaTiO3，其中0.15≤x≤0.9。
[0007]作为优选，所述x＝0.15，0.2，0.25，0.3，0.35，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9。
[0008]相比于现有的技术，本专利技术的材料设计作用机理如下：(1)NaNbO3反铁电材料由于室温场诱导的铁电相导致在低电场下具有高的最大极化强度，这就为高储能提供了先天条件，同时大的剩余极化强度和小的耐压强度限制了其进一步的储能特性；(2)CaTiO3线性介电材料具有极低的介电损耗，几乎不变的介电可调，合适的介电常数，大的介电击穿强度，引入CaTiO3到陶瓷基料中去可以提供更多的活跃的偶极子和更大的耐压强度；(3)引入CaTiO3到NaNbO3基体中，一方面保持了NaNbO3高的最大极化强度，另一方面结合CaTiO3的介电性能和超高的耐压强度，利用协同耦合效应同时实现高储能密度和高效率地储能特性；因此本专利技术获得了具有高储能密度和高效率的新型无铅储能陶瓷材料。
[0009]所述的储能效率加强高储能无铅铁电陶瓷材料的制备方法，包括以下制备步骤：(1)一次配料：以Na2CO3粉体、Nb2O5粉体、CaCO3粉体、TiO2粉体为原料，按照通式NaNbO3和CaTiO3中的Na、Nb、Ca和Ti的化学计量分别进行配料，得到混合物；(2)一次球磨：向上述混合物中加入与混合物等量的无水乙醇，持续球磨，使粉体混合均匀形成浆料；(3)烘干：将上述浆料置于78
‑
80℃的恒温烘箱中烘烤，去除无水乙醇，并在研钵中研磨，得到粉料；(4)压片预烧：将NaNbO3和CaTiO3粉料置于磨具中预压成料块，将料块预烧；(5)二次配料：以一次配料的NaNbO3和CaTiO3，按照通式(1
‑
x)NaNbO3‑
xCaTiO3进行化学计量配料；(6)二次球磨：将二次配料的粉体在研钵中，经碾碎研磨后得到初级粉料，向得到的初级粉料中加入与初级粉料等量的无水乙醇，持续球磨，使粉体混合均匀形成浆料；(7)烘干：将上述浆料置于恒温烘箱中烘烤，去除无水乙醇，并在研钵中研磨成粉料；(8)将得到的预制粉料过筛，将聚乙烯醇溶液及蒸馏水作为粘合剂掺入粉料造粒成型，压片制成生胚，排胶，烧结成瓷，并将得到的陶瓷片进行减薄抛光处理，置于炉中高温处理，上下表面分别溅射金电极，得到所述的一类储能效率加强高储能无铅铁电陶瓷材料。
[0010]所有步骤中，重要的是分开合成NaNbO3和CaTiO3粉料，首先把原料球磨12
‑
24h，得到尺寸均匀的原料，然后混合的原料放置到磨具中压制成大块，再次把大块放在密封的坩埚中预烧合成，其作用和有益效果如下：(1)原料尺寸均匀，防止了最终陶瓷中晶粒的异常变大，有利于性能的均匀性；(2)压制大块合成有利于其反应充分和粉料颗粒的均匀性，保证了其损耗小和晶粒均匀且小，进一步的保证了其耐压强度高；(3)合成后二次球磨混合均匀制备陶瓷使其能量势垒降低，保证了反应的进一步完成，使其耐压强度提高；由于损耗小，晶粒尺寸小且均匀，从而大幅度提高了材料的耐压强度和重复性，保证了高储能特性。
[0011]作为优选，上述步骤(1)中，配料所用的Na2CO3粉体、Nb2O5粉体、CaCO3粉体、 TiO2粉体的纯度大于99％。
[0012]作为优选，上述步骤(2)中，一次球磨过程中：球磨时间为12
‑
24h；上述步骤(6) 中，碾碎研磨时间为30
‑
40min，持续球磨时间为12
‑
24h。
[0013]作为优选，上述步骤(4)中，NaNbO3预烧温度为800
‑
850℃，保温时间2
‑
4h，Ca本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种储能效率加强高储能无铅铁电陶瓷材料，其特征在于，该陶瓷的化学组成为(1
‑
x)NaNbO3‑
xCaTiO3，其中0.15≤x≤0.9。2.根据权利要求1所述的一种储能效率加强高储能无铅铁电陶瓷材料，其特征在于，所述x= 0.15，0.2，0.25，0.3，0.35，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9。3.一种如权利要求1
‑
2任一所述的储能效率加强高储能无铅铁电陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括以下制备步骤：（1）一次配料：以Na2CO3粉体、Nb2O5粉体、CaCO3粉体、TiO2粉体为原料，按照通式NaNbO3和CaTiO3中的Na、Nb、Ca和Ti的化学计量分别进行配料，得到混合物；（2）一次球磨：向上述混合物中加入与混合物等量的无水乙醇，持续球磨，使粉体混合均匀形成浆料；（3）烘干：将上述浆料置于78
‑
80℃的恒温烘箱中烘烤，去除无水乙醇，并在研钵中研磨，得到粉料；（4）压片预烧：将NaNbO3和 CaTiO3粉料置于磨具中预压成料块，将料块预烧；（5）二次配料：以一次配料的NaNbO3和CaTiO3，按照通式(1
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x)NaNbO3‑
xCaTiO3进行化学计量配料；（6）二次球磨：将二次配料的粉体在研钵中，经碾碎研磨后得到初级粉料，向得到的初级粉料中加入与初级粉料等量的无水乙醇，持续球磨，使粉体混合均匀形成浆料；（7）烘干：将上述浆料置于恒温烘箱中烘烤，去除无水乙醇，并在研钵中研磨成粉料；（8）将得到的预制粉料过筛，将聚乙烯醇溶液及蒸馏水作为粘合剂掺入粉料造粒成型，压片制成生胚，排胶，烧结成瓷，并将得到的陶瓷片进行减薄抛光处理，置于炉中高温处理，上下表面分别溅射金电...

【专利技术属性】
技术研发人员：白王峰，刘继康，元勇军，吴诗婷，裴浪，鲍亮，张怀伟，陈逸凡，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：