一种类线性高储能高效率无铅弛豫陶瓷及其制备方法技术

本发明专利技术涉及电子信息功能材料与器件技术领域，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，公开了一种类线性高储能高效率无铅弛豫陶瓷及其制备方法，该陶瓷的化学组成为(1‑x)CaTiO

【技术实现步骤摘要】
一种类线性高储能高效率无铅弛豫陶瓷及其制备方法
本专利技术涉及电子信息功能材料与器件
，尤其涉及一种类线性高储能高效率无铅弛豫陶瓷及其制备方法。
技术介绍
随着能源需求的增加和化石燃料的消耗，提高传统能源利用率和拓宽新能源实用范围的问题日益凸显，这给能量存储装置的快速发展提供了机会。在这些储能元件中，电介质电容器因具有超快充放电速度和大功率密度的优势，符合新能源开发和利用的要求，在电磁脉冲武器、混合动力汽车、生物医疗器械等领域得到了广泛的应用。面对复杂环境和高度集成信息化的趋势，对设备的集成化、微型化、轻量化提出了更高的的要求，人们迫切期望找到一种展现高储能密度的电介质材料。目前，铅基钙钛矿电介质陶瓷在储能应用方面表现出了突出的优势，如PbZrO3基陶瓷，具有巨大的能量密度。然而，铅元素对生态系统和人类的危害十分严重，这促使人们对无铅介电陶瓷的替代材料进行了深入的研究。在这些无铅陶瓷中，无铅弛豫铁电陶瓷因其大的极化和细的电滞回线引起了广泛的研究兴趣。近年来，关于无铅弛豫铁电陶瓷用于电容器应用的研究有很多报道，主要集中在钙钛矿基弛豫陶瓷上，并取得了显著的成果。然而，只有一些陶瓷表现出与铅基陶瓷相当的储能性能。在这种情况下，为了满足储能器件的商业化，迫切需要开发具有高储能性能的新型无铅陶瓷系统。专利号CN201911089513.3，专利名称“一种类线性无铅弛豫铁电陶瓷材料及其制备方法”，本专利技术涉及一种类线性无铅弛豫铁电陶瓷材料及其制备方法，属于介电电容器材料制备领域。本专利技术的类线性无铅弛豫铁电陶瓷材料的化学组成为0.82Na0.5Bi0.5TiO3-0.18CaTiO3，室温下该材料在电场强度为180kV/cm时，有效储能密度为2.34J/cm3、总的储能密度为2.87J/cm3、储能效率>80％；并且在30～150℃下进行温度稳定性测试时，储能效率维持在80％以上且相对稳定，使其成为高储能密度应用的理想材料。其不足之处在于，其有效储能密度和储能效率有待提升。
技术实现思路
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，提供一种类线性高储能高效率无铅弛豫陶瓷及其制备方法，本专利技术首次将CaTiO3加入到BNT-BAT储能材料中，并且获得了3.45-5.48J/cm3的储能密度和90.2％-99.6％的储能效率，达到高击穿场强的同时获得高储能密度高效率，拓展了掺杂改性的研究方向，发现了更高性能储能陶瓷材料的作用原理。为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种类线性高储能高效率无铅弛豫陶瓷，该陶瓷的化学组成为(1-x)CaTiO3-x(BNT-BAT)，其中0.15≤x≤0.6。电介质材料应该具有高的介电常数、低的介电损耗以及温度稳定性等特点。其中BNT-BAT((1-y)(Bi0.5Na0.5)TiO3-yBa(Al0.5Ta0.5)O3)具有铁电性强、Pmax大的特点，但是它同样存在一些不足之处，如矫顽场较大、剩余极化较大、储能效率较底、耐压较低。而钛酸钙(CaTiO3)是一种典型的高介电常数、低介电损耗的线性介电材料，同时还具有良好的耐压和绝缘性能。因此为了改善铁电陶瓷的不足，通过掺杂改性等方法将BNT-BAT与钛酸钙结合得到具有高的耐压强度、高的储能密度、高的储能效率等特点的弛豫铁电体陶瓷，使其成为高储能密度应用的理想材料。本专利技术通过在BNT-BAT中引入CT，以此来改善储能行为，其设计原则在于：(1)BNT-BAT本身室温具有遍历和非遍历弛豫相共存，低电场下就具有高的最大极化强度，同时也具有相对高的耐压强度和相对小的剩余极化强度；(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CaTiO3，一方面CaTiO3引入打破了长程有序，产生了极性纳米畴和随机电场，保证了较高的最大极化强度，另一方面使其具有极低的剩余极化强度，从而产生了瘦细的电滞回线；(4)CaTiO3引入到BNT-BAT中，一方面保持了BNT-BAT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的储能特性；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。优选为x＝0.2。这主要是由于该组分陶瓷具有较小的晶粒尺寸，有助于提高击穿强度。同时，该组分的介电常数适中，剩余极化低，两者达到良好的平衡状态，有利于获得高的可恢复储能密度和高的储能效率。所述的类线性高储能高效率无铅弛豫陶瓷的制备方法，使用固相反应法制备得到相应的储能陶瓷，包括以下的制备步骤：(1)一次配料：选取Na2CO3粉体原料、Bi2O3粉体原料、TiO2粉体原料、BaCO3粉体原料、Al2O3粉体原料、Ta2O5粉体原料、CaCO3粉体原料，按照通式(1-y)(Bi0.5Na0.5)TiO3-yBa(Al0.5Ta0.5)O3其中y＝0.045和通式CaTiO3中的Bi、Na、Ti、Ba、Al、Ta和Ca的化学计量分别进行配料；(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，由此可以进一步的提高陶瓷材料的综合性能；(3)烘干：将上述浆料置于恒温(80℃)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(1-y)(Bi0.5Na0.5)TiO3-yBa(Al0.5Ta0.5)O3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(1-y)(Bi0.5Na0.5)TiO3-yBa(Al0.5Ta0.5)O3和CaTiO3，按照通式(1-x)CaTiO3-x(BNT-BAT)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)造粒成型：将蒸馏水以及聚乙烯醇溶液作为粘合剂掺入粉料中，在研钵中混合均匀；将混合后的粉料置于磨具中，压制成生坯；将生坯在研钵中磨碎成粉料，通过筛子过筛，得到粉料；将粉料置于磨具中压制成生坯；(9)排胶烧结：将生坯在高温下进行排胶，排除生坯中的PVA，得到瓷坯；将瓷坯进行高温烧结，得到陶瓷片。所有步骤中，重要的是分开合成BNT-BAT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本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种类线性高储能高效率无铅弛豫陶瓷，其特征在于，该陶瓷的化学组成为(1-x)CaTiO

【技术特征摘要】
1.一种类线性高储能高效率无铅弛豫陶瓷，其特征在于，该陶瓷的化学组成为(1-x)CaTiO3-x(BNT-BAT)，其中0.15≤x≤0.60。


2.一种如权利要求1所述的类线性高储能高效率无铅弛豫陶瓷的制备方法，其特征在于，使用固相反应法制备得到相应的储能陶瓷，包括以下的制备步骤：
（1）一次配料：选取Na2CO3粉体原料、Bi2O3粉体原料、TiO2粉体原料、BaCO3粉体原料、Al2O3粉体原料、Ta2O5粉体原料、CaCO3粉体原料，按照通式(1-y)(Bi0.5Na0.5)TiO3-yBa(Al0.5Ta0.5)O3其中y=0.045和通式CaTiO3中的Bi、Na、Ti、Ba、Al、Ta和Ca的化学计量分别进行配料；
（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，由此可以进一步的提高陶瓷材料的综合性能；
（3）烘干：将上述浆料置于恒温（80℃）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(1-y)(Bi0.5Na0.5)TiO3-yBa(Al0.5Ta0.5)O3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(1-y)(Bi0.5Na0.5)TiO3-yBa(Al0.5Ta0.5)O3和CaTiO3，按照通式(1-x)CaTiO3-x(BNT-BAT)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）造粒成型：将蒸馏水以及聚乙烯醇溶液作为粘合剂掺入粉料中，在研钵中混合均匀；将混合后的粉料置于磨具中，压制成生坯；将生坯在研钵中磨碎成粉料，通过筛子过筛，得到粉料；将粉料置于磨具中压制成生坯；
（9）排胶烧结：将生坯在高温下进行排胶，排除生...

【专利技术属性】
技术研发人员：白王峰，李重阳，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：浙江;33