用于储能电容器的钙钛矿型高熵氧化物陶瓷及其制备方法技术

本发明专利技术公开了用于储能电容器的钙钛矿型高熵氧化物陶瓷及其制备方法，化学通式为(5Me)(2Me*)O3，其中：Me为金属元素Na、Sr、Bi、Ca或Ba，且各金属元素的摩尔百分比为5％～35％；Me*为过渡金属元素Ti以及Nb、Sb或Hf；制备方法包括：1、称取BaCO3、Na2CO3、SrCO3、CaCO3、Bi2O3、TiO2、HfO2、Nb2O5和Sb2O3混合，得到混合物A；2、将混合物A研磨后，移入马弗炉，以2

【技术实现步骤摘要】
用于储能电容器的钙钛矿型高熵氧化物陶瓷及其制备方法


[0001]本专利技术涉及储能陶瓷电容器材料，具体是用于储能电容器的钙钛矿型高熵氧化物陶瓷及其制备方法。

技术介绍

[0002]脉冲功率电容器广泛用于微波通信、混合电动汽车、医疗设备和其他电子功率系统中。无铅介电陶瓷作为电容器的核心部件，由于其具有高功率密度、超快充电/放电速率和优异的操作稳定性等独特特征，一直以来都属于备受瞩目的储能材料。然而，由于可恢复能量密度(W
rec
)和储能效率比较低，在很大程度上阻碍了其向小型化、轻量化和集成化的进一步发展，无法满足电容器市场苛刻和广泛的需求。因此，必须提高介电陶瓷的储能效率，实现性能和应用的突破。
[0003]影响W
rec
的关键因素是击穿电场(E
b
)，极化差(P
m
‑
P
r
)和储能效率(η)，在过去的研究中，人们通常采用带隙工程和微结构优化的策略来提高E
b
。例如，选择引入具有高带隙(E
g
)的材料提高本征击穿强度，或者抑制晶粒生长或减小晶粒尺寸，从而增强击穿电场；此外，为了提高η，纳米畴工程、缺陷工程和稳定反铁电相等策略也被提出来；然而，不同的参数或策略可能会相互制约，例如高E
b
和最大极化(P
max
)之间的矛盾，以及纳米畴细化导致的P
max
的显著降低。可见，上述的每种策略都很难单独实现储能性能的显著综合改善。/>[0004]近年来，学者们发现高熵材料的设计理念可以从成分、微观结构、局部结构等多个角度高效实现击穿电场、极化强度和储能效率等多方向调控，使材料同时表现出优异的可调性、多样性和实用性。由此，我们可以推测，利用高熵铁电材料或许可以实现具有优异综合性能的储能陶瓷。然而，目前在ABO3高熵陶瓷研究中，B位元素的选取与单相形成和储能性能并未良好的结合在一起，因此需要不断探索高熵钙钛矿氧化物陶瓷材料体系，有望通过改变不同价态、不同离子半径和B位元素从而提高高熵钙钛矿氧化物陶瓷材料的储能密度和储能效率。

技术实现思路

[0005]针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的是提供一种用于储能电容器的钙钛矿型高熵氧化物陶瓷及其制备方法，提高了高熵氧化物陶瓷的储能密度和储能效率。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：
[0007]一种用于储能电容器的钙钛矿型高熵氧化物陶瓷，化学通式为(5Me)(2Me*)O3，其中：Me为金属元素Na、Sr、Bi、Ca或Ba，且各金属元素的摩尔百分比为5％～35％；Me*为过渡金属元素Ti以及Nb、Sb或Hf。
[0008]进一步地，化学式为(Sr
0.1925
Ca
0.1925
Ba
0.205
Bi
0.205
Na
0.205
)Ti
0.92
Nb
0.08
O3、
[0009]或(Sr
0.1925
Ca
0.1925
Ba
0.205
Bi
0.205
Na
0.205
)Ti
0.92
Hf
0.08
O3、
[0010]或(Sr
0.1925
Ca
0.1925
Ba
0.205
Bi
0.205
Na
0.205
)Ti
0.92
Sb
0.08
O3。
[0011]进一步地，构型熵值ΔS
config
为1.89R。
[0012]进一步地，相对密度不低于96.7％。
[0013]一种用于储能电容器的钙钛矿型高熵氧化物陶瓷的制备方法，包括如下步骤：
[0014]步骤1、按照化学通式(5Me)(2Me*)O3称取BaCO3、Na2CO3、SrCO3、CaCO3、Bi2O3、TiO2、HfO2、Nb2O5和Sb2O3混合，得到混合物A；其中：Me为金属元素Na、Sr、Bi、Ca或Ba，且各金属元素的摩尔百分比为5％
‑
35％；Me*为过渡金属元素Ti以及Nb、Sb或Hf；
[0015]步骤2、将混合物A研磨后，移入马弗炉，以2
‑
5℃/min的升温速率自室温升温至825
‑
900℃下进行煅烧，待自然冷却后，依次研磨、过筛和压制成型，得到陶瓷生坯，接着将陶瓷生坯移入气氛炉内，在氧气气氛下，以2
‑
5℃/min的升温速率自室温升温至1175
‑
1260℃下进行烧结，待自然冷却后得到钙钛矿型高熵氧化物陶瓷。
[0016]进一步地，所述步骤2的研磨采用湿法行星球磨在300
‑
400r/min的转速下，球磨10
‑
15h；
[0017]所述湿法行星球磨的球石材质为氧化锆，球磨介质为乙醇。
[0018]进一步地，所述步骤2还包括将采用湿法行星球磨后得到的浆料置于烘箱内，在85
‑
90℃下，烘干36
‑
48h。
[0019]进一步地，所述步骤2的过筛是过120目筛。
[0020]进一步地，所述步骤2的压制成型包括先于35MPa下干压成型，再于200
‑
250MPa下冷等静压成型。
[0021]进一步地，所述步骤2煅烧和烧结的时间均为2
‑
6h
[0022]本专利技术与现有技术相比，具有如下技术效果：
[0023]与传统单组份钙钛矿结构储能陶瓷相比，本专利技术所制备的高熵钙钛矿陶瓷晶胞中含有多种不同价态和不同半径的离子，较严重的晶格畸变会使高熵钙钛矿陶瓷材料具有优异的储能性能。此外，本专利技术制备高熵陶瓷过程中采用传统固相法，该方法具有成本低、简单易行和适用范围广等优点。
[0024]研究发现ABO3结构的B位的包容性较弱于A位，异价掺杂时不会形成单一相结构陶瓷，等价掺杂易于获得单相结构陶瓷，单相结构的(Sr
0.1925
Ca
0.1925
Ba
0.205
Bi
0.205
Na
0.205
)Ti
0.92
Hf
0.08
O3陶瓷具有优异的储能性能：390kV/cm电场下的可回收储能密度(W
rec
)为5.7J/cm3，储能效率(η)为90％，有望应用于储能陶瓷电容器领域。
[0025]本专利技术采用冷等静压技术压制成型，可以节省制作的成本，不仅加快了生产周期，并且避免了粘结剂对试样污染的可能性，制备的生坯更加的致密。
附图说明
[0026]图1为本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于储能电容器的钙钛矿型高熵氧化物陶瓷，其特征在于，化学通式为(5Me)(2Me*)O3，其中：Me为金属元素Na、Sr、Bi、Ca或Ba，且各金属元素的摩尔百分比为5％～35％；Me*为过渡金属元素Ti以及Nb、Sb或Hf。2.根据权利要求1所述的用于储能电容器的钙钛矿型高熵氧化物陶瓷，其特征在于，化学式为(Sr
0.1925
Ca
0.1925
Ba
0.205
Bi
0.205
Na
0.205
)Ti
0.92
Nb
0.08
O3、或(Sr
0.1925
Ca
0.1925
Ba
0.205
Bi
0.205
Na
0.205
)Ti
0.92
Hf
0.08
O3、或(Sr
0.1925
Ca
0.1925
Ba
0.205
Bi
0.205
Na
0.205
)Ti
0.92
Sb
0.08
O3。3.根据权利要求2所述的用于储能电容器的钙钛矿型高熵氧化物陶瓷，其特征在于，构型熵值ΔS
config
为1.89R。4.根据权利要求2所述的用于储能电容器的钙钛矿型高熵氧化物陶瓷，其特征在于，相对密度不低于96.7％。5.一种如权利要求1
‑
4任一项所述用于储能电容器的钙钛矿型高熵氧化物陶瓷的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、按照化学通式(5Me)(2Me*)O3称取BaCO3、Na2CO3、S...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒲永平，宁亚婷，张金波，张贤，上阳超，吴春辉，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：