一种钙钛矿结构高熵介电陶瓷及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种钙钛矿结构高熵介电陶瓷及其制备方法，属于无机电介质陶瓷领域。本发明专利技术所述的钙钛矿结构高熵介电陶瓷，其化学式为(La

【技术实现步骤摘要】
一种钙钛矿结构高熵介电陶瓷及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种钙钛矿结构高熵介电陶瓷及其制备方法，属于无机电介质陶瓷领域。

技术介绍

[0002]钛酸钡陶瓷因为其成本低、绿色无污染、介电性能优异等特点，是目前工程上广泛应用的电介质材料。但是，钛酸钡也存在剩余极化强度高、击穿场强低、介电性能不稳定等缺点，根据储能密度方程(W
rec
、P
max
、P
r
、和E分别为放电储能密度、最大极化强度、剩余极化强度和电场强度)，这就造成了钛酸钡的储能密度小且储能效率低。近些年，随着电子技术的飞速发展，人们对介电陶瓷的储能性能要求越来越高。所以，解决目前钛酸钡存在的不足之处，是提高钛酸钡基陶瓷储能性能所亟待解决的问题。
[0003]最近几年，由高熵合金演变而来的高熵陶瓷，因为具有多种优异的物理性能而成为材料研究领域的热点。高熵陶瓷是指由五种及以上主元，且各主元的含量相等(或几乎相等)所形成的单相固溶体。根据以往人们的研究发现，高熵陶瓷的核心效应之一就是扩散缓慢，由于固溶体引起的晶格畸变和多元素的协同扩散，原子运动和原子的有效扩散受到阻碍。所以，可以得到具有细小晶粒和晶粒生长缓慢的单相固溶体。依据公式(其中BDS为击穿场强，G为晶粒尺寸)可知，减小晶粒尺寸能显著增加陶瓷的击穿场强。综上所述，设计、制备得到高熵钙钛矿陶瓷，对解决目前钛酸钡基介电材料存在的问题是十分可行而有意义的。

技术实现思路

[0004]本专利技术目的在于，为了解决目前钛酸钡介电陶瓷存在的不足，提供一种新型的钙钛矿结构高熵介电陶瓷，所述钙钛矿结构高熵介电陶瓷具有不含铅、高击穿场强、高储能效率、温度稳定性好的优点。所述钙钛矿结构高熵介电陶瓷的化学式为(La
0.25
Sr
0.25
Ba
0.25
Na
0.25
)(Ti
0.5
Me
0.5
)O3，其中，Me＝Sn,Zr,Hf。
[0005]本专利技术的另一目的在于提供所述钙钛矿结构高熵介电陶瓷的制备方法，具体包括以下步骤：
[0006](1)按照化学计量比称取BaCO3、TiO2、La2O3、SrCO3、Na2CO3，其中在SnO2、ZrO2和HfO2三种原料中任意称量一种。
[0007](2)将步骤(1)称取的原料采用湿法球磨，经过干燥、研磨、煅烧后得到混合粉末。
[0008](3)将得到的混合粉末二次球磨、干燥、研磨。
[0009](4)将二次球磨得到的混合粉末加入聚乙烯醇(PVA)，混合均匀后，放置于模具内，压制成陶瓷坯体。
[0010](5)将陶瓷坯体放置在双层氧化铝坩埚内，采用埋烧的方式，置于高温箱式电阻炉在空气气氛下烧结，得到钙钛矿结构高熵介电陶瓷。
[0011]优选的，本专利技术步骤(1)中所涉及的BaCO3、TiO2、La2O3、SrCO3、Na2CO3、SnO2、ZrO2和HfO2的纯度≥99％。
[0012]优选的，本专利技术步骤(2)中球磨的条件为：球磨转速300rpm，球磨时间为12
‑
18h；球磨介质为无水乙醇、ZrO2球，球:料:无水乙醇的质量比为3:1:3，干燥的温度为70
‑
100℃，干燥时间为12
‑
24h。
[0013]优选的，本专利技术步骤(2)中煅烧过程为以10℃/min的升温速率将温度从室温升温到700℃，保温2h。
[0014]优选的，本专利技术步骤(3)中二次球磨的条件为：球磨转速300rpm，球磨时间为6h；球磨介质为无水乙醇、ZrO2球，球:料:无水乙醇的质量比为3:1:3，干燥的温度为70
‑
100℃，干燥时间为12
‑
24h。
[0015]优选的，本专利技术步骤(4)中聚乙烯醇的质量百分比浓度为8wt.％，加入量为每1g混合粉末中加入1滴，将混合均匀后的粉体在280MPa的单轴压力下保压5
‑
8min，压制成直径为18mm的圆片。
[0016]优选的，本专利技术步骤(5)中将压制好的圆片放入氧化铝小坩埚中，在圆片下方垫一层与样品成分相同的混合粉末，并在圆片上方覆盖一层同样的粉末，稍稍压实粉末，然后将小坩埚放置于大坩埚内,置于高温箱式电阻炉进行烧结；烧结过程为以10℃/min的升温速率将温度从室温升温至500℃，保温2h，然后以10℃/min的升温速率将温度升至1000℃，再以5℃/min的升温速率将温度升至1400℃，最后以3℃/min的升温速率升温至1500℃，保温10h后，随炉冷却至室温。
[0017]本专利技术的有益效果：
[0018](1)本专利技术制备的钙钛矿结构高熵介电陶瓷都能形成单相固溶体，XRD图中并没有发现其他杂相所有的样品均为单一的钙钛矿结构。
[0019](2)本专利技术将钙钛矿结构高熵介电陶瓷在1450℃下退火30min后，其SEM图可以看出该陶瓷的晶粒尺寸小，说明陶瓷在高温下晶粒的生长速率缓慢，有利于细化晶粒，提高陶瓷的击穿场强。
[0020](3)本专利技术制备的钙钛矿结构高熵介电陶瓷具有大的击穿场强，(La
0.25
Sr
0.25
Ba
0.25
Na
0.25
)(Ti
0.5
Me
0.5
)O3(Me＝Sn,Zr,Hf)击穿场强依次为230kV/cm、200kV/cm、120kV/cm，储能效率高，均大于80％，温度稳定性好。
附图说明
[0021]图1为该钙钛矿结构高熵介电陶瓷烧结后的XRD图谱；
[0022]图2为该钙钛矿结构高熵介电陶瓷烧结后的元素分布图；
[0023]图3为该钙钛矿结构高熵介电陶瓷的介电温谱图；
[0024]图4为该钙钛矿结构高熵介电陶瓷的电滞回线图。
具体实施方式
[0025]下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步详细说明，但本专利技术的保护范围并不限于所述内容。
[0026]实施例1
[0027]一种钙钛矿结构高熵介电陶瓷(La
0.25
Sr
0.25
Ba
0.25
Na
0.25
)(Ti
0.5
Sn
0.5
)O3制备方法，具体步骤如下：
[0028](1)将BaCO3、TiO2、La2O3、SrCO3、Na2CO3、SnO2按照摩尔比为2：4：1：2：1：4进行称料。
[0029](2)把称好的原料粉末使用行星式球磨机进行球磨，转速为300rpm，球磨时间为18h；球磨介质为无水乙醇、ZrO2球，其中球:料:无水乙醇的质量比为3:1:3；干燥的温度为70℃，干燥时间为24h。然后将干燥后的混合粉末进行煅烧，煅烧过程为以10℃/min的升温速率将温度从室温升温至700℃，保温2h。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钙钛矿结构高熵介电陶瓷，其特征在于，所述钙钛矿结构高熵介电陶瓷为：(La
0.25
Sr
0.25
Ba
0.25
Na
0.25
)(Ti
0.5
Me
0.5
)O3，其中Me＝Sn,Zr,Hf。2.权利要求1所述钙钛矿结构高熵介电陶瓷的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：(1)按照化学计量比称取BaCO3、TiO2、La2O3、SrCO3、Na2CO3，并且在SnO2、ZrO2和HfO2三种原料中任意称量一种；(2)将步骤(1)称取的原料采用湿法球磨，经过干燥、研磨、煅烧后得到混合粉末；(3)将得到的混合粉末二次球磨、干燥、研磨；(4)将步骤(3)二次球磨得到的混合粉末加入聚乙烯醇混合均匀，然后放置于模具内，压制成陶瓷坯体；(5)采用埋烧的方式将陶瓷坯体放置在双层氧化铝坩埚内，置于高温箱式电阻炉内，在空气气氛下烧结，得到钙钛矿结构高熵介电陶瓷。3.根据权利要求2所述钙钛矿结构高熵介电陶瓷的制备方法，其特征在于：BaCO3、TiO2、La2O3、SrCO3、Na2CO3、SnO2、ZrO2和HfO2的纯度≥99％。4.根据权利要求2所述钙钛矿结构高熵介电陶瓷的制备方法，其特征在于：步骤(2)中球磨的条件为：球磨转速300rpm，球磨时间为12
‑
18h；球磨介质为无水乙醇、ZrO2球，球:料:无水乙醇的质量比为3:1:3，干燥的温度为70
‑
100...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟彬，陈英全，李蕊，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：