一种高熵陶瓷电介质材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种高熵陶瓷电介质材料及其制备方法。所述高熵陶瓷电介质材料的化学式为PbAO3，其中A选自Zr、Hf、Sn、Nb、Ti、Yb、Lu、Tm、Sc、Mg、W中的至少五种元素，每种元素的下标相等且和等于1。等且和等于1。等且和等于1。

【技术实现步骤摘要】
一种高熵陶瓷电介质材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种高熵反铁陶瓷电介质材料及其制备方法，具体涉及一种具备反铁电双电滞回线特征以及正电压系数的高熵Pb(Zr,Hf,Nb,Yb,Sn)
0.2
O3陶瓷电介质材料及其制备方法，属于功能陶瓷领域。

技术介绍

[0002]目前，以混合动力汽车逆变器为代表的功率电子装备的应用与发展产生了大量高压型电容器的应用需求，如逆变器中的直流母线电容以及缓冲电容。传统的钛酸钡基陶瓷电容器在高压条件下电容值会大幅下降，在高电压工作条件下需要更多的有效体积，不利于装置的小型化。反铁电陶瓷材料在一定电场下将发生可逆的反铁电铁电相变，并伴随着材料介电常数的迅速增大，因此是一种少见的在一定电压范围内具备正电压系数的电介质材料。这种特性使其适合作为高压压工作下的电容器电介质材料。
[0003]常规的反铁电材料的电致相变过程往往较为剧烈，伴随着较大的形变，疲劳耐受性较大，理论工作电压范围也非常窄。因此往往需要通过掺杂改性使相变弥散化(CN107010949B)，转变为所谓的弛豫反铁电相。

技术实现思路

[0004]为此，本专利技术提供了一种高熵陶瓷电介质材料及其制备方法。
[0005]一方面，本专利技术提供了一种高熵陶瓷电介质材料，所述高熵陶瓷电介质材料的化学式为PbAO3，其中A选自Zr、Hf、Sn、Nb、Ti、Yb、Lu、Tm、Sc、Mg、W中的至少五种元素，每种元素的下标相等且和等于1。
[0006]在本专利技术中，通过高熵化的设计策略同样也能够有效实现陶瓷的弛豫化。优选地，基于此本专利技术设计了铅基高熵反铁电陶瓷材料。
[0007]较佳的，所述高熵陶瓷电介质材料中A＞5种时，所述高熵陶瓷电介质材料的理想混合熵需大于1.61R，其中R为气体常数。
[0008]较佳的，当A中不含有Ti时，所述高熵陶瓷电介质材料表现弛豫反铁电体的双电滞回线特征。
[0009]较佳的，当A中含有Ti时，所述高熵陶瓷电介质材料表现出弛豫铁电体的电滞回线特征。
[0010]又，较佳的，所述高熵陶瓷电介质材料在在电场下具有弛豫型的双电滞回线特征，介电常数具有正电压系数。
[0011]另一方面，本专利技术还提供了一种高熵陶瓷电介质材料的制备方法，包括：(1)以Pb3O4粉体、和A的氧化物粉体为原料，按照高熵陶瓷电介质材料化学计量比配制并混合，再经压块和合成，得到高熵陶瓷电介质粉体；(2)将高熵陶瓷电介质粉体和粘结剂混合并造粒，再经陈化和压制成型，得到陶瓷生坯；；
(3)将所得陶瓷生坯经过排塑和烧结，得到高熵陶瓷电介质材料。
[0012]较佳的，步骤(1)中，所述混合的方式为湿式球磨法细磨；所述湿式球磨法细磨的参数包括：按照原料:球磨介质:酒精的质量比＝1:(4～9):(0.5～1.0)，球磨转速为65～135转/分钟，混料时间为24～48小时，其中球磨介质为锆球或玛瑙球。
[0013]较佳的，步骤(1)中，所述合成的温度为850℃～950℃，时间为2小时～5小时；优选地，所述合成的升温速率为不高于2℃/分钟。
[0014]较佳的，步骤(2)中，在造粒之前，将高熵陶瓷电介质粉体进行二次湿式球磨法细磨；所述二次湿式球磨法细磨的参数包括：按照高熵陶瓷电介质粉体:球磨介质:酒精质量比＝1:(4～9):(0.5～0.8)，混料时间为24小时～48小时，其中球磨介质为锆球或玛瑙球。
[0015]较佳的，步骤(2)中，所述粘结剂选自聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛、羧甲基纤维素和羟丙基甲基纤维素溶液中的至少一种；所述聚乙烯醇溶液的浓度为7％；所述聚乙烯醇溶液的加入量为陶瓷粉料重量的5％～7％；所述陈化的温度为25～50℃，时间为24～36小时。
[0016]较佳的，步骤(3)中，所述排塑的温度为600℃～800℃，保温时间为2小时～6小时；优选地，所述排塑的升温速率为不高于2℃/分钟；所述烧结的温度为1200～1320℃，保温2～6小时；优选地，所述烧结的升温速率为不高于2℃/分钟。
[0017]较佳的，将烧结后的高熵陶瓷电介质材料加工成所需尺寸，经清洁，印银，烘干，烧银，得到铁电陶瓷元件；优选地，所述烧银的温度为700℃～800℃，保温时间为10～30分钟；更优选地，所述烧银的升温速率为不高于2℃/分钟。
附图说明
[0018]图1为本专利技术制备的Pb(Zr,Hf,Nb,Yb,Sn)
0.2
O3陶瓷材料在室温下X射线衍射图谱，由图1可知，陶瓷主晶相基本保持了赝立方的钙钛矿单相结构，说明陶瓷成功实现了高熵化；图2为Pb(Zr,Hf,Nb,Yb,Sn)
0.2
O3(实施例1)和Pb(Zr,Hf,Nb,Yb,Ti)
0.2
O3(实施例2)陶瓷样品的介电常数和介电损耗在不同频率下随温度的变化曲线，从图中可知，实施例1和实施例2的介电峰位分别位于约100℃和220℃附近，且实施例2具有轻微的频率色散，表现出弛豫铁电态特征。同时在室温25℃到200℃温度范围内，实施例1的介电损耗明显低于实施例2；图3为实施例1和实施例2所得高熵陶瓷电介质材料的电滞回线图，从图中可知，实施例1和实施例2分别具有明显的弛豫反铁电特征和弛豫铁电特征；图4为实施例1在不同测试电压幅值下的偏场介电场数和介电损耗，从图中可知，实施例1陶瓷的介电常数和介电损耗值在偏场下达到最大值，同时在一定范围内，随着测试电场的幅值增大，该最大值不断上升，其最大可超过零场下的两倍，同时介电峰位也不断向高电场方向移动。
具体实施方式
[0019]以下通过下述实施方式进一步说明本专利技术，应理解，下述实施方式仅用于说明本专利技术，而非限制本专利技术。
[0020]本专利技术中，铅基高熵陶瓷电介质材料，其所设计的钙钛矿B位位置包含5种及以上元素，例如Zr、Hf、Sn、Nb，Ti、Yb、Lu、Tm、Sc、M、W等。
[0021]在可选的实施方式中，当B位占据元素为5种时，为达到目前所定义的“高熵”标准，B位各元素含量需相等；当当B位占据元素大于5中时，组分的理论理想混合熵需大于1.61R，其中R为气体常数。其中，理想混合熵计算公式为：S
mix
(ideal)＝
‑
R∑c
i ln C
i
；其中C
i
为化合物某位点的元素占比。
[0022]在可选的实施方式中，反铁电陶瓷化学成分符合化学式：Pb(Zr,Hf,Nb,Yb,Sn)
0.2
O3，其在电场下具有弛豫型的双电滞回线特征，介电常数具有正电压系数，在特定电场下将达到极大值，且在一定范围内随着测试电压的幅值增大而增大。
[0023]以下示例性地说明铅基高熵陶瓷电介质材料的制备方法。
[0024]以Pb3O4、ZrO2、HfO2、Nb2O5、Yb2O3和SnO2或TiO2粉体为原料，按照Pb(Zr,Hf,Nb,Yb,Sn)
0.2
O3或P本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高熵陶瓷电介质材料，其特征在于，所述高熵陶瓷电介质材料的化学式为PbAO3，其中A选自Zr、Hf、Sn、Nb、Ti、Yb、Lu、Tm、Sc、Mg、W中的至少五种元素，每种元素的下标相等且和等于1。2.根据权利要求1所述的高熵陶瓷电介质材料，其特征在于，所述高熵陶瓷电介质材料中A＞5种时，所述高熵陶瓷电介质材料的理想混合熵需大于1.61R，其中R为气体常数。3.根据权利要求1或2所述的高熵陶瓷电介质材料，其特征在于，当A中不含有Ti时，所述高熵陶瓷电介质材料表现弛豫反铁电体的双电滞回线特征。4.根据权利要求1或2所述的高熵陶瓷电介质材料，其特征在于，当A中含有Ti时，所述高熵陶瓷电介质材料表现出弛豫铁电体的电滞回线特征。5.根据权利要求4所述的高熵陶瓷电介质材料，其特征在于，所述高熵陶瓷电介质材料在在电场下具有弛豫型的双电滞回线特征，介电常数具有正电压系数。6.一种权利要求1
‑
5中任一项所述的高熵陶瓷电介质材料的制备方法，其特征在于，包括：（1）以Pb3O4粉体、和A的氧化物粉体为原料，按照高熵陶瓷电介质材料化学计量比配制并混合，再经压块和合成，得到高熵陶瓷电介质粉体；（2）将高熵陶瓷电介质粉体和粘结剂混合并造粒，再经陈化和压制成型，得到陶瓷生坯；；（3）将所得陶瓷生坯经过排塑和烧结，得到高熵陶瓷电介质材料。7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述混合的方式为湿式球磨法细磨；所述湿式球磨法细磨的参数包括：按照原料:球磨介质:酒精的质量比＝1:(4～9):(0.5～1.0)，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王根水，叶嘉明，陈学锋，董显林，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：