一种无铅高储能密度和充放电性能的陶瓷材料及制备方法技术

本发明专利技术一种无铅高储能密度和充放电性能的陶瓷材料及制备方法，陶瓷材料的化学式为：(1

【技术实现步骤摘要】
一种无铅高储能密度和充放电性能的陶瓷材料及制备方法


[0001]本专利技术属于储能陶瓷领域，具体为一种无铅高储能密度和充放电性能的陶瓷材料及制备方法。

技术介绍

[0002]随着脉冲功率系统的快速发展，介质电容器由于其功率密度高和充放电速度快等优势而成为脉冲电源中应用最广泛的储能设备之一。但是大多数介质电容器在应用时都使用铅基铁电陶瓷材料，铅具有极高的毒性、挥发性，对人类健康和环境都有害，2008年，由于全球环境问题，铅基铁电陶瓷材料被禁止使用。因此，开发无铅铁电陶瓷材料的需求越来越大。
[0003]众多无铅铁电陶瓷材料中，(Bi
0.5
Na
0.5
)TiO3(BNT)因具有大的饱和极化强度(>40μC
·
cm
‑2)，200℃(T
s
)到320℃(T
m
)之间是弛豫铁电体，拥有超低电滞的P
‑
E曲线，具有优化储能性能的巨大潜能而受到越来越多的关注。
[0004]但是室温下的BNT剩余极化值较大，击穿场强较低，导致储能密度和效率都较低，其严重限制了其在脉冲功率系统中的实际应用。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种无铅高储能密度和充放电性能的陶瓷材料及制备方法，具有高的介电击穿强度、储能密度和充放电性能。
[0006]本专利技术是通过以下技术方案来实现：
[0007]一种无铅高储能密度和充放电性能的陶瓷材料，所述陶瓷材料的化学式为：
[0008](1
‑
x)(Bi
0.5
Na
0.5
)TiO3‑
x(Sr
0.7
La
0.2
)(Ti
0.9
Zr
0.1
)O3，其中，0.10≤x≤0.50。
[0009]一种无铅高储能密度和充放电性能的陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：
[0010]S1，根据所述陶瓷材料的化学式，将相应化学计量比的SrCO3、Na2CO3、TiO2、ZrO2、La2O3和Bi2O3进行球磨，再干燥后过筛，之后将得到的细粉在800～900℃下进行预烧，得到陶瓷粉体；
[0011]S2，将陶瓷粉体依次球磨、干燥和过筛，将得到的粉体先预压成型，再冷等静压，得到陶瓷生坯；
[0012]S3，用S1得到的陶瓷粉体将陶瓷生坯掩埋，之后在封闭环境下升温至1150～1240℃，保温3～5h，最后降温至600～800℃，得到无铅高储能密度和充放电性能的陶瓷材料。
[0013]优选的，S1和S2中的球磨均在乙醇和氧化锆粉体中进行，S1中的氧化物总质量或S2中的陶瓷粉体的质量与乙醇、氧化锆粉体的质量比均为1:2:1，均以300～400r
·
min
‑1的速率球磨18～22h。
[0014]优选的，S1和S2中的干燥操作均在75～85℃下进行4～6h。
[0015]优选的，S1和S2中过筛的目数均为60～120目。
[0016]优选的，S1所述的细粉在800～900℃下预烧4～6h，得到陶瓷粉体。
[0017]优选的，S2所述的细粉在压片机中保压1min后再冷等静压。
[0018]进一步，S2所述的冷等静压在200～210MPa下保压3～5min。
[0019]优选的，S3用S1得到的陶瓷粉体将陶瓷生坯掩埋后盖上瓷舟，再保温。
[0020]优选的，S3的升温从室温开始，升温速率为2～4℃
·
min
‑1，保温后以2～4℃
·
min
‑1的降温速率降温至600～800℃，得到无铅高储能密度和充放电性能的陶瓷材料。
[0021]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：
[0022]本专利技术的(1
‑
x)(Bi
0.5
Na
0.5
)TiO3‑
x(Sr
0.7
La
0.2
)(Ti
0.9
Zr
0.1
)O3，钛酸铋钠基体掺杂有钛锆酸锶镧，(Sr
0.7
La
0.2
)(Ti
0.9
Zr
0.1
)O3的引入降低了基体材料的平均晶粒尺寸，这有利于获得致密的微观结构，材料具有高储能性能和超快放电速率，致密度高，储能密度和储能效率的温度稳定性和频率稳定性优异，在10Hz、25～150℃下，其在150kV
·
cm
‑1电场强度下的储能密度保持在1.41～1.56J
·
cm
‑3之间，储能效率保持在86.9％～91.4％之间；在室温、1～200Hz下，其在150kV
·
cm
‑1电场强度下的储能密度保持在1.48～1.67J
·
cm
‑3之间，储能效率保持在82.7％～87.3％之间，此外，其在室温和100kV
·
cm
‑1电场强度下的电流密度可达589.76A
·
cm
‑2，功率密度可达29.49MW
·
cm
‑3，放电时间更是短至59.6ns，可满足不同应用的需求，环境友好，有望作新一代环境友好的储能陶瓷介质材料，为开发一系列具有显著增强储能性能的(Na
0.5
Bi
0.5
)TiO3基弛豫铁电体无铅陶瓷奠定了基础。当x＝0.40时，室温下(25℃)和10Hz得到了细长、回形面积小的电滞回线，获得了优异的储能密度和效率，储能密度达到4.0J
·
cm
‑3，储能效率达到78.8％。
[0023]本专利技术一种无铅高储能密度和充放电性能的陶瓷材料的制备方法，SrCO3、Na2CO3、TiO2、ZrO2、La2O3和Bi2O3经球磨、干燥、过筛、预烧，然后又依次球磨、干燥和过筛，最后预压、冷等静压和烧结得到化学式为(1
‑
x)(Bi
0.5
Na
0.5
)TiO3‑
x(Sr
0.7
La
0.2
)(Ti
0.9
Zr
0.1
)O3的无铅高储能和充放电性能陶瓷材料，(Sr
0.7
La
0.2
)(Ti
0.9
Zr
0.1
)O3的引入降低了基体材料的平均晶粒尺寸，这有利于获得致密的微观结构，从而提高介电击穿强度。阳离子Zr
4+
进入晶格部分替换B位Ti
4+
，材料铁电性减弱，弛豫性增强，从而使得在有效抑制其剩余极化强度的同时保持一个相对较大的饱和极化强度，这极大促进了储能密度和效率的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无铅高储能密度和充放电性能的陶瓷材料，其特征在于，所述陶瓷材料的化学式为：(1
‑
x)(Bi
0.5
Na
0.5
)TiO3‑
x(Sr
0.7
La
0.2
)(Ti
0.9
Zr
0.1
)O3，其中，0.10≤x≤0.50。2.如权利要求1所述的无铅高储能密度和充放电性能的陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，根据权利要求1所述的化学式，将相应化学计量比的SrCO3、Na2CO3、TiO2、ZrO2、La2O3和Bi2O3进行球磨，再干燥后过筛，之后将得到的细粉在800～900℃下进行预烧，得到陶瓷粉体；S2，将陶瓷粉体依次球磨、干燥和过筛，将得到的粉体先预压成型，再冷等静压，得到陶瓷生坯；S3，用S1得到的陶瓷粉体将陶瓷生坯掩埋，之后在封闭环境下升温至1150～1240℃，保温3～5h，最后降温至600～800℃，得到无铅高储能密度和充放电性能的陶瓷材料。3.根据权利要求2所述的无铅高储能密度和充放电性能的陶瓷材料的制备方法，其特征在于，S1和S2中的球磨均在乙醇和氧化锆粉体中进行，S1中的氧化物总质量或S2中的陶瓷粉体的质量与乙醇、氧化锆粉体的质量比均为1:2:1，均以300～400r
·...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁启斌，段梦云，詹诗利，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：