一种锆锡铪酸镧铅陶瓷及其制备方法和储能应用技术

本发明专利技术属于电介质陶瓷材料技术领域，公开了一种锆锡铪酸镧铅陶瓷及其制备方法和储能应用。所述锆锡铪酸镧铅块体陶瓷的化学式为Pb

【技术实现步骤摘要】
一种锆锡铪酸镧铅陶瓷及其制备方法和储能应用


[0001]本专利技术属于电介质陶瓷材料
，更具体地，涉及一种锆锡铪酸镧铅陶瓷及其制备方法和储能应用。

技术介绍

[0002]反铁电材料拥有独特的外电场诱导的反铁电相(AFE)到铁电相(FE)转变行为，特别是在铅基反铁电体中理论上具有高的能量密度和功率密度。使用反铁电体作为电介质材料制备的脉冲功率电容器具有放电速率快、电流大、循环寿命长等特点，在军事、民用、高新领域被广泛应用。反铁电材料的储能性能与厚度、晶体取向、制备工艺以及相变等因素有关，但主要取决于相变过程，而相变过程则主要由成分和外场决定。因此，人们采用各种策略来调整反铁电材料的相变行为，以提高其储能性能。相对于其他反铁电材料，锆酸铅(PbZrO3)因为其良好的相变诱导性能被广泛研究。在室温下，纯的PbZrO3陶瓷在达到相变临界电场之前就被击穿，因此只有化学改性的PbZrO3材料才能在电场诱导下实现AFE和FE相之间的转变。反铁电体在外加电场的作用下会发生反铁电
‑
铁电
‑
顺电相变，在达到了反铁电
‑
铁电的相变电场的时候，电偶极子会沿着电场方向重新排列，极化强度会急剧增大。由于电滞的原因，在撤去电场的时候，宏观极化不为零，也就是说，有部分能量不能完全被释放，这部分能量也叫做能量损耗。反铁电体的有效储能密度的可由计算得到，总储能密度可以由计算得到，能量损耗可以由W
loss
＝W
total
‑
W
rec/>得到，储能效率可以由得到。其中W
rec
为有效储能密度，W
total
为总储能密度，W
loss
为能量损耗，P
max
为饱和极化强度，E为外加电场强度，η为储能效率。明显地，从公式可以知道：要提高有效储能密度，就要提高饱和极化强度和外加电场的强度。其中研究的比较多的用于储能系统的化学改性PbZrO3材料主要是：(i)(Pb,La)(Zr,Ti)O3(PLZT)；(ii)(Pb,La)(Zr,Sn,Ti)O3(PLZST)；(iii)(Pb,La)(Zr,Sn)O3(PLZS)和(
ⅳ
)(Pb,Nb)(Zr,Sn,Ti)O3(PNZST)。其中PLZS因为场致多阶相变的特性，在二阶铁电
‑
铁电相变时，极化强度急剧增加，有极大的储能应用潜力。与反铁电薄膜和厚膜相比，块状陶瓷在调整成分
‑
结构
‑
性能关系方面更有优势，制备工艺更加成熟可靠且成本低廉。

技术实现思路

[0003]为了解决上述现有技术存在的不足和缺点，本专利技术的目的在于提供一种锆锡铪酸镧铅陶瓷。该锆锡铪酸镧铅陶瓷的化学式为Pb
0.98
La
0.02
(Zr
0.45
‑
x
Hf
x
Sn
0.55
)
0.995
O3，x＝0.01～0.15，其具有细长型双电滞回线的反铁电体的高储能密度和高效率特性。
[0004]本专利技术的另一目的在于提供上述锆锡铪酸镧铅陶瓷的制备方法。该方法利用Pb
0.98
La
0.02
(Zr,Hf,Sn)
0.995
O3体系的三元相图设计得到，通过电滞回线计算了陶瓷的储能密度，掺入Hf
4+
后能够大幅提高Pb
0.98
La
0.02
(Zr,Hf,Sn)
0.995
O3体系的储能效率和储能密度，为
反铁电陶瓷在储能电容器、高功率脉冲电源、高速列车、电动汽车技术、动能武器等领域提供知识积累及理论支持。
[0005]本专利技术的再一目的在于提供上述锆锡铪酸镧铅陶瓷的应用。
[0006]本专利技术的目的通过下述技术方案来实现：
[0007]一种锆锡铪酸镧铅陶瓷，所述锆锡铪酸镧铅块体陶瓷的化学式为Pb
0.98
La
0.02
(Zr
0.45
‑
x
Hf
x
Sn
0.55
)
0.995
O3，x＝0.01～0.15。
[0008]所述的锆锡铪酸镧铅陶瓷的制备方法，包括如下具体步骤：
[0009]S1.按照化学计量Pb
0.98
La
0.02
(Zr
0.45
‑
x
Hf
x
Sn
0.55
)
0.995
O3比称取PbO、La2O3、ZrO2、SnO2和HfO2的混合粉置于尼龙球磨罐，加入球磨介质和无水乙醇，采用行星球磨机湿法球磨，然后将球磨的粉体经干燥和过筛，制得混合粉体；
[0010]S2.将混合粉体在850～1000℃预烧，制得陶瓷粉体A；重复步骤S1的球磨过程，采用行星球磨机湿法球磨，制得陶瓷粉体B；
[0011]S3.将陶瓷粉体B加入5wt％的PVB中混合研磨均匀，烘干后压成陶瓷胚，然后将陶瓷胚在150～300MPa冷等静压，再经400～600℃排胶，先在1100～1200℃烧结6～10h，然后升温至1200～1300℃保温30～60min，制得锆锡铪酸镧铅块体陶瓷，其化学式为Pb
0.98
La
0.02
(Zr
0.45
‑
x
Hf
x
Sn
0.55
)
0.995
O3，x＝0.01～0.15。
[0012]优选地，步骤S1中所述混合粉和无水乙醇的质量比为(1～2):1。
[0013]优选地，步骤S1中所述球磨介质为二氧化锆球，所述二氧化锆球包括直径3mm的二氧化锆球和直径5mm的二氧化锆球，所述直径3mm的二氧化锆球和直径5mm的二氧化锆球的质量比(1～1.5):1。
[0014]优选地，步骤S1中所述湿法球磨的转速为150～250rmp/min，湿法球磨的时间为24～48h；所述干燥的温度为60～90℃，干燥的时间为12～36h，所述过筛的孔径为40～100目。
[0015]优选地，步骤S2中所述预烧的时间为2～4h；步骤S3中所述冷等静压的时间为3～10min。
[0016]优选地，步骤S3中所述陶瓷粉体B和PVB的的质量比为(5～8):1。
[0017]所述的锆锡铪酸镧铅陶瓷在储能领域中的应用。
[0018]本专利技术通过Hf
4+
改性PLZS，通过合理的烧结工艺，烧结出致密、晶粒大小分布均匀且具有高耐击穿电场强度的块体陶瓷，随着Hf
4+
的从x＝0提高到x＝0.15，Pb
0.98
La
0.02
(Zr
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锆锡铪酸镧铅陶瓷，其特征在于，所述锆锡铪酸镧铅块体陶瓷的化学式为Pb
0.98
La
0.02
(Zr
0.45
‑
x
Hf
x
Sn
0.55
)
0.995
O3，x＝0.01～0.15。2.根据权利要求1所述的锆锡铪酸镧铅陶瓷的制备方法，其特征在于，包括如下具体步骤：S1.按照化学计量Pb
0.98
La
0.02
(Zr
0.45
‑
x
Hf
x
Sn
0.55
)
0.995
O3比称取PbO、La2O3、ZrO2、SnO2和HfO2的混合粉置于尼龙球磨罐，加入球磨介质和无水乙醇，采用行星球磨机湿法球磨，然后将球磨的粉体经干燥和过筛，制得混合粉体；S2.将混合粉体在850～1000℃预烧，制得陶瓷粉体A；重复步骤S1的球磨过程，采用行星球磨机湿法球磨，制得陶瓷粉体B；S3.将陶瓷粉体B加入5wt％的PVB中混合研磨均匀，烘干后压成陶瓷胚，然后将陶瓷胚在150～300MPa冷等静压，再经400～600℃排胶，先在1100～1200℃烧结6～10h，然后升温至1200～1300℃保温30～60min，制得锆...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲁圣国，李伟湫，王世斌，余宇梁，林昌立，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：