一种可低温共烧的高储能反铁电陶瓷材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种反铁电陶瓷材料的低温烧结方法，其目的在于通过降低烧结温度优化反铁电材料的储能性能。该反铁电陶瓷材料的化学通式为(Pb

【技术实现步骤摘要】
一种可低温共烧的高储能反铁电陶瓷材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及功能陶瓷
，尤其是涉及一种同时具有优异储能性能和低烧结温度的反铁电陶瓷材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]随着科学技术的进步，脉冲功率技术在工业、建筑、生物医药及尖端技术等各个领域得到了广泛的应用。作为脉冲功率装置的重要储能元件，电容器在脉冲功率装置中占很大比重，作为业界长期发展的方向，研制储能密度高、放电电流大以及功率密度高的脉冲电容器已成为当前脉冲功率
研究的重点和迫切任务。当前脉冲电容器的首选介质材料主要包括线性陶瓷、铁电陶瓷和反铁电陶瓷三类。线性陶瓷具有介电线性特征，即介电常数几乎不随电场变化，这意味着线性陶瓷只有在极高的电场下才能获得可观的储能密度。而对于脉冲电容器来说过高的电场是不安全的，因此具有介电非线性特征的铁电和反铁电陶瓷是高储能密度介质电容器的优选材料。其中，铁电陶瓷具有自发极化，在无外加电场时具有很高的介电常数，而在电场作用下，铁电陶瓷介电常数随电场增加而降低，并且其击穿场强通常不高，导致陶瓷在高场下储能密度并不大，一般不超过2J/cm3。而反铁电陶瓷的重要特征是具有双电滞回线：在外电场较低时反铁电陶瓷与线性陶瓷一样，这意味着反铁电陶瓷拥有极低的剩余极化；而当电场升高到一定值后，发生反铁电到铁电的相转变，使得材料的极化强度突然增大。因此反铁电材料具有更高的储能密度，同时由于极低的剩余极化而具有很高的储能效率。
[0003]目前围绕提高反铁电陶瓷储能行为的研究有很多，大都围绕在反铁电材料设计，对可低温共烧反铁电瓷料的研究还较少。当前铅基反铁电陶瓷普遍具有较高的烧结温度(1300℃左右)，如专利公开号为CN104725041A的中国专利技术专利《一种高储能效率镧掺杂锆钛锡酸铅反铁电陶瓷及其制备方法》，该专利技术中制备的反铁电陶瓷的储能效率达到90.4％，但有效储能密度仅为1.28J/cm3；而专利公开号为CN108358630A的中国专利技术专利《一种高储能密度反铁电陶瓷材料及其制备方法》，该专利技术中制备的反铁电陶瓷在23.5kV/mm的工作电场下，可释放的储能密度只达到了2.68J/cm3，但能量损耗较大，储能效率为78％；在专利公开号为CN107459350A的中国专利技术专利《一种介电储能反铁电陶瓷材料及其制备方法》中获得同时具有储能效率为85％(150℃)、储能密度稳定性>85％(20℃
‑
150℃)、储能密度2.77J/cm3的反铁电材料体系。专利CN111995391A公开了一种高储能密度电容器用低烧反铁电陶瓷材料及其制备方法，通过固相烧结法制备反铁电陶瓷材料，通过引入玻璃烧结助剂，使反铁电陶瓷材料的耐压强度显著提高，大幅降低了陶瓷的烧结温度。专利CN112062559A公开了一种反铁电陶瓷材料及其低温烧结方法，通过在二次球磨过程中在反铁电陶瓷材料粉体中加入Ag2O粉末，通过调控Ag2O含量以及在烧结过程中补偿铅气氛等方法制得致密瓷体。该体系烧结温度低至1050℃，制备的瓷体成瓷性较好，实现室温下PbZrO3反铁电陶瓷的双电滞回线的获得。
[0004]然而，在不添加烧结助剂的前提下，PbZrO3基反铁电陶瓷的烧结温度一般比较高(～1300℃)。在该温度下，只有价格昂贵的Pt浆料适合做相应的多层陶瓷电容器内电极浆料，传统的Ag/Pd内电极浆料将不再适用。即便高烧结温度下获得的反铁电陶瓷具有较高的储能密度，但是在实际应用中1300℃的烧结温度会大大提升多层电容器的制造成本。通常，在反铁电陶瓷粉料中添加低温烧结助剂，一般为低熔点玻璃粉，该方法可以实现反铁电陶瓷烧结温度的大幅度降低。然而，玻璃相作为陶瓷晶界相会大幅度降低反铁电陶瓷的饱和极化，这对其储能性能的影响是致命的。因此，研究一类在可低温共烧的同时具备高储能性能的反铁电陶瓷材料对于开发低成本、低功耗、高储能性能的脉冲功率电容器具有非常重要的意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供的一种可低温共烧的高储能反铁电陶瓷材料及其制备方法，本专利技术用部分Bi
3+
替代(Pb
0.98
Sr
0.02
)(Zr
0.6
Sn
0.4
)O3基体中A位的Pb
2+
，通过调控Bi
3+
的取代量优化反铁电陶瓷的烧结温度。该体系烧结温度低至1125
±
25℃，制备的瓷体成瓷性较好。掺杂有Bi
3+
的样品其陶瓷微观结构以及陶瓷致密性得到改善，其击穿场强有较大幅度的提升。通过小离子半径的Bi
3+
替代Pb
2+
，提高了反铁电的稳定性。
[0006]基于此，(Pb
0.98
‑
1.5x
Sr
0.02
Bi
x
)(Zr
0.6
Sn
0.4
)O3系列陶瓷材料实现了低烧结温度和高储能性能的同时获得。同时，在降低烧结温度的同时，本专利技术中采用的Bi2O3内掺方法没有导致反铁电材料饱和极化的衰减，该方法对于开发高储能密度、可低温烧制的脉冲功率电容器具有非常重要的意义。
[0007]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0008]一种可低温共烧的高储能反铁电陶瓷材料，该反铁电陶瓷材料的化学通式为(Pb
0.98
‑
1.5x
Sr
0.02
Bi
x
)(Zr
0.6
Sn
0.4
)O3，0＜x≤0.04，优选地，x为0.01、0.02、0.03、0.04，进一步优选地x为0.01。
[0009]本专利技术中反铁电陶瓷材料的低温烧结方法，包括以下步骤：
[0010]S1：将铅源、锆源、锡源、铋源、锶源混合，并经过球磨、干燥、煅烧过程后，得到煅烧粉料；
[0011]S2：将所述煅烧粉料依次经过二次球磨、干燥过程，得到干燥粉料，之后将干燥粉料与聚乙烯醇溶液混合，再依次经过造粒、压制成型，得到陶瓷胚体；
[0012]S3：将所述陶瓷胚体依次经过排胶、烧结过程，得到反铁电陶瓷材料成品。
[0013]进一步地，所述铅源包括Pb3O4，所述锆源包括ZrO2，所述锶源包括SrCO3，所述锡源包括SnO2，所述铋源为Bi2O3。
[0014]进一步地，S1中球磨过程的时间为14
‑
16h；优选为15h。
[0015]S2中二次球磨的时间为14
‑
16h，优选为15h，采用两步球磨有助于降低粉体颗粒尺寸，使陶瓷粉体颗粒尺寸均匀；同时提高粉体反应活性，促进烧结过程，以获得致密均匀的陶瓷块体。
[0016]进一步地，S1中所述煅烧过程的温度为800～900℃，煅烧时间为2
‑
3h，优选地，煅烧的温度为800℃，煅烧时本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可低温共烧的高储能反铁电陶瓷材料，其特征在于，该反铁电陶瓷材料的化学通式为(Pb
0.98
‑
1.5x
Sr
0.02
Bi
x
)(Zr
0.6
Sn
0.4
)O3，0＜x≤0.04。2.根据权利要求1所述的一种可低温共烧的高储能反铁电陶瓷材料，其特征在于，x为0.01、0.02、0.03、0.04。3.一种可低温共烧的高储能反铁电陶瓷材料的制备方法，其特征在于，该反铁电陶瓷材料的化学通式为(Pb
0.98
‑
1.5x
Sr
0.02
Bi
x
)(Zr
0.6
Sn
0.4
)O3，0＜x≤0.04，包括以下步骤：S1：将铅源、锆源、锡源、铋源、锶源混合，并经过球磨、干燥、煅烧过程后，得到煅烧粉料；S2：将所述煅烧粉料依次经过二次球磨、干燥过程，得到干燥粉料，之后将干燥粉料与聚乙烯醇溶液混合，再依次经过造粒、压制成型，得到陶瓷胚体；S3：将所述陶瓷胚体依次经过排胶、烧结过程，得到反铁电陶瓷材料成品。4.根据权利要求3所述的一种可低温共烧的高储能反铁电陶瓷材料，其特征在于，所述铅源包括Pb3O4，所述锆源包括ZrO2...

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