一种高储能密度叠层薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高储能密度叠层薄膜，由BMZ层和BZT层构成，总厚度在150

【技术实现步骤摘要】
一种高储能密度叠层薄膜及其制备方法


[0001]本专利技术涉及储能电介质薄膜材料及其制备
，涉及一种高储能密度叠层薄膜及其制备方法。

技术介绍

[0002]储能电介质薄膜材料是指在电容器中作为一种介质材料并完成储存电荷和散热功能的薄膜材料。储能电介质薄膜作为一种新型介质材料，具有更高的储能密度，可以使许多需要轻量化、小型化、和易于集成的应用受益。
[0003]近几十年来，双向取向聚丙烯(BOPP)电容器已被广泛用作大功率电容器，但在一些应用领域，如深井钻井和航空航天行业，它们正遭受到了许多替代产品的挑战，这是因为聚合物材料的温度稳定性不好，其击穿强度会随着温度的升高而急剧下降，使得其制成的电子设备需要在低温环境(＜150℃)下工作。相反，陶瓷与聚合物相比拥有更高的极化和更好的热稳定性，但其击穿强度通常较低。部分原因是因为介电常数与击穿强度呈负相关的关系，介电常数越高，击穿强度越低。在近来的研究中，陶瓷材料又引申出了陶瓷薄膜(薄膜)材料，因为相比于陶瓷，薄膜的尺寸更小，其致密度更高，从结构上而言更有助于提升材料的耐击穿强度和储能性能。
[0004]目前，研究得最多的铁电薄膜材料主要是钛酸钡(BaTiO3)材料，但常规钛酸钡薄膜的电滞回线非常肿胖，不仅剩余极化大，且介电损耗大，储能密度和储能效率都非常低，这不利于它在能量存储器件中进行应用。而叠层技术可以作为一种有效的方法结合其他材料从而提升钛酸钡薄膜的储能密度。目前报道的叠层薄膜多为交替或三明治结构，例如3(BT/ST)、BT/ST/BT等等，但其储能密度不算高，在40J/cm3左右，叠层结构也比较单一。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种高储能密度叠层薄膜及其制备方法，该叠层薄膜的结构多样化，且储能密度可达80J/cm3以上，且制备原料无毒、价格低廉、制备工艺简单。
[0006]本专利技术为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：
[0007]一种高储能密度叠层薄膜，由BMZ层和BZT层构成，总厚度在150
‑
250nm之间；BMZ层和BZT层的总层数为6层，BMZ层为2
‑
4层，BZT层为2
‑
4层；其中BMZ代表Bi(Mg
0.5
Zr
0.5
)O3；BZT代表Ba(Zr
0.25
Ti
0.75
)O3。
[0008]优选地，上述叠层储能薄膜为BMZ3/BZT3、BMZ/BZT/BMZ/BZT/BMZ/BZT、BZT2/BMZ2/BZT2、BMZ1/BZT4/BMZ1叠层薄膜，其中数字代表层数。具体地，BMZ3/BZT3代表所述叠层储能薄膜的结构上依次由三层BMZ和三层BZT复合而成；BMZ/BZT/BMZ/BZT/BMZ/BZT代表所述叠层储能薄膜由三层BMZ和三层BZT交替复合而成；BZT2/BMZ2/BZT2代表所述叠层储能薄膜依次由两层BZT和两层BMZ、两层BZT复合而成；BMZ1/BZT4/BMZ1所述叠层储能薄膜依次由一层BMZ和四层BZT、一层BMZ复合而成。
[0009]上述高储能密度叠层薄膜的制备方法，首先将Bi(NO3)3·
5H2O、Mg(C2H3O2)2·
4H2O、ZrO4C
16
H
36
混合溶于包含有醋酸、乙酰丙酮和乙二醇甲醚的混合溶剂中，制得BMZ前驱体溶液；然后将Ba(CH3COO)2、C
16
H
36
O4Ti、ZrO4C
16
H
36
混合溶于包含有醋酸、乙酰丙酮和乙二醇甲醚的混合溶剂中，制得BZT前驱体溶液；而后按照叠层薄膜的结构(即各层的排列顺序和总厚度)将BMZ前驱体溶液和BZT前驱体溶液旋涂在基片上，每旋涂一层后都需要置于热板进行热解并采用快速退火炉进行退火，如此操作数次后制得所述高储能密度叠层薄膜。
[0010]按上述方案，醋酸、乙酰丙酮和乙二醇甲醚之间的体积比为(10
‑
20):1：(30
‑
40)。
[0011]按上述方案，制备BMZ前驱体溶液的方法为：按照组成表达式Bi(Mg
0.5
Zr
0.5
)O3中Bi、Mg和Zr的摩尔比将Bi(NO3)3·
5H2O、Mg(C2H3O2)2·
4H2O和ZrO4C
16
H
36
进行称量配料，混合溶于包含有醋酸、乙酰丙酮和乙二醇甲醚的混合溶剂中，制得总浓度为0.1
‑
0.3mol/L的BMZ前驱体溶液。
[0012]按上述方案，制备BZT前驱体溶液的方法为：按照组成表达式Ba(Zr
0.25
Ti
0.75
)O3中Ba、Zr和Ti的摩尔比将Ba(CH3COO)2、C
16
H
36
O4Ti、ZrO4C
16
H
36
进行称量配料，混合溶于包含有醋酸、乙酰丙酮和乙二醇甲醚的混合溶剂中，制得总浓度为0.1
‑
0.3mol/L的BZT前驱体溶液。
[0013]按上述方案，旋涂过程具体为：先以400
‑
800rpm的速度旋转5
‑
15s后转为3500
‑
5000rpm旋转20
‑
40s。
[0014]按上述方案，热解过程是将基片在200
‑
300℃、325
‑
375℃、375
‑
425℃这三个温度区间下分别热解4
‑
6min。
[0015]按上述方案，退火过程为层层退火，退火温度为600
‑
750℃，退火时间为90
‑
150s，在空气气氛下进行。
[0016]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0017]本专利技术在采用BZT和BMZ来制备叠层薄膜，两者在680℃附近(即大致在600
‑
750℃温度区间内)的退火温度下会展现出不同的结晶行为，BZT层结晶不良可以提供高的耐压强度，BMZ层结晶良好可以提供高的极化强度，二者结合可以优势互补优化薄膜的储能性能。该叠层薄膜材料的储能密度可达80J/cm3以上，储能效率较高，结构多样化，具有广泛的应用前景，且制备原料无毒、价格低廉、制备工艺简单。
附图说明
[0018]图1是BMZ3/BZT3的断面和表面微观形貌图；
[0019]图2是BMZ/BZT/BMZ/BZT/BMZ/BZT的断面和表面微观形貌图；
[0020]图3是BZT2/BMZ2/BZT2的断面和表面微观形貌图；
[0021]图4是BMZ1/BZT4/BMZ1的断面和表面微观形貌图；
具体实施方本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高储能密度叠层薄膜，其特征在于它由BMZ层和BZT层构成，总厚度在150
‑
250nm之间；BMZ层和BZT层的总层数为6层，BMZ层为2
‑
4层，BZT层为2
‑
4层；其中BMZ代表Bi(Mg
0.5
Zr
0.5
)O3；BZT代表Ba(Zr
0.25
Ti
0.75
)O3。2.根据权利要求1所述的一种高储能密度叠层薄膜，其特征在于所述叠层储能薄膜结构排列上依次为BMZ3/BZT3、BMZ/BZT/BMZ/BZT/BMZ/BZT、BZT2/BMZ2/BZT2、BMZ1/BZT4/BMZ1叠层薄膜，其中数字代表层数。3.权利要求1或2所述的高储能密度叠层薄膜的制备方法，其特征在于首先将Bi(NO3)3·
5H2O、Mg(C2H3O2)2·
4H2O、ZrO4C
16
H
36
混合溶于包含有醋酸、乙酰丙酮和乙二醇甲醚的混合溶剂中，制得BMZ前驱体溶液；然后将Ba(CH3COO)2、C
16
H
36
O4Ti、ZrO4C
16
H
36
混合溶于包含有醋酸、乙酰丙酮和乙二醇甲醚的混合溶剂中，制得BZT前驱体溶液；而后，按照叠层薄膜的结构，将BMZ前驱体溶液和BZT前驱体溶液按顺序旋涂在基片上，每旋涂一层后都需要置于热板进行热解并采用快速退火炉进行退火，最终制得所述高储能密度叠层薄膜。4.根据权利要求3所述的高储能密度叠层薄膜的制备方法，其特征在于醋酸、乙酰丙酮和乙二醇甲醚之间的体积比为(10
‑
20):1：(30
‑
40)。5.根据权利要求3所述的高储能密度叠层薄膜的制备方法，其特征在于制备BMZ前驱体溶液的方法为：按照组成表达式Bi(Mg

【专利技术属性】
技术研发人员：刘韩星，许辉煌，郝华，尧中华，曹明贺，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：