一种具有高击穿场强的BCZT基储能陶瓷材料及其制备方法技术

技术编号：40093857 阅读：6 留言：0更新日期：2024-01-23 16:37

本发明专利技术公开了一种具有高击穿场强的BCZT基储能陶瓷材料及其制备方法，所述BCZT基储能陶瓷材料的组成通式为：(Ba<subgt;0.85</subgt;Ca<subgt;0.85</subgt;)[(Zr<subgt;0.10</subgt;Ti0.90)<subgt;1‑x</subgt;(Nb<subgt;0.5</subgt;La<subgt;0.5</subgt;)<subgt;x</subgt;]O<subgt;3</subgt;，其中，x＝0.06～0.15；其采用固相法制备，具体制备方法为：按照化学式的化学计量比配料，然后球磨、预烧获得(Ba<subgt;0.85</subgt;Ca<subgt;0.85</subgt;)[(Zr<subgt;0.10</subgt;Ti<subgt;0.90</subgt;)<subgt;1‑x</subgt;(Nb<subgt;0.5</subgt;La<subgt;0.5</subgt;)<subgt;x</subgt;]O<subgt;3</subgt;粉体，将所述粉体细磨后添加聚乙烯醇造粒，压制成型得到素坯；于500℃排除素坯中的有机物质，得到生料坯体；将所述生料坏体于1400～1450℃烧结，得到所述BCZT基储能陶瓷材料。本发明专利技术BCZT基储能陶瓷材料的制备方法简单、重复性好、成品率高，具有高储能密度(W<subgt;rec</subgt;＝3.1J/cm<supgt;3</supgt;)和效率(86.7％)、高击穿场强(E<subgt;b</subgt;＝410kV/cm)和抗疲劳性能优异等特点。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电子陶瓷及器件，具体涉及一种具有高储能密度和效率、高击穿场强和抗疲劳性能优异的储能陶瓷及其制备方法，该储能陶瓷可用于储能电容器。

技术介绍

1、高储能密度陶瓷凭借其充放电速度快、抗循环老化能力强、高温和高压等极端条件下性能稳定等优点，在电子工业以及人工智能、物联网和5g等新一代信息工业
均有着广阔的应用前景。

2、储能技术主要有机械储能、电磁储能、电容器储能、电化学储能四种。其中，陶瓷电容器储能凭借储能密度高、能量存储速度快和小型化等优点，已成为高功率脉冲电源系统中应用最广的储能器件之一。电介质电容器是由两个平行的电极板和中间填充的电介质材料组成。

3、2009年，学者liu和ren制备了一种bto的钙钛矿新材料——锆钛酸钡钙ba(ti0.8zro0.2)o3-(ba0.7ca0.3)tio3(bczt)，其不含挥发性元素，因此能在高温煅烧后保持预定的化学计量比。由于性能优异且环境友好，bczt材料自问世后受到了广泛关注，被认为有望取代传统铅基钙钛矿材料。

4、(ba0.85ca0.85)(zr0.1ti0.9)o3(bczt)由于其较高的d33一直备受人们关注，而其在储能方面的研究较少，由于bczt在室温下为铁电相，介质损耗大，介电常数随电场增加而下降，因此其储能密度仅为0.20～0.30j/cm3，且储能效率低于75％。

技术实现思路

1、本专利技术的目的在于提供一种具有高储能密度、高击穿场强和抗疲劳性能好的bczt基储能陶瓷材料及其制备方法。

2、针对上述目的，本专利技术提供的bczt基储能陶瓷材料的组成通式为：(ba0.85ca0.85)[(zr0.10ti0.90)1-x(nb0.5la0.5)x]o3，其中，x为摩尔数，x的取值0.06～0.15，优选x的取值为0.12。该陶瓷材料在室温下为顺电相。

3、本专利技术bczt基储能陶瓷材料的制备方法包括下述步骤：

4、步骤1：按照(ba0.85ca0.85)[(zr0.10ti0.90)1-x(nb0.5la0.5)x]o3的化学计量比，分别称取纯度为99.00％以上的baco3、caco3、zro2、tio2、la2o3和nb2o5，将称取的所有原料混合均匀后放入行星球磨机中，以锆球为磨球、无水乙醇为球磨介质，充分混合球磨20～24小时，在60～80℃下干燥20～24小时，得到原料混合物；

5、步骤2：将原料混合物在1200～1250℃预烧2～3小时，得到(ba0.85ca0.85)[(zr0.10ti0.90)1-x(nb0.5la0.5)x]o3预烧粉；

6、步骤3：将步骤2得到的(ba0.85ca0.85)[(zr0.10ti0.90)1-x(nb0.5la0.5)x]o3预烧粉经造粒、压片、排胶后，在1400～1450℃下恒温烧结2～4小时，制备成bczt基储能陶瓷材料。

7、上述步骤2中，优选将原料混合物以3～5℃/分钟的升温速率升温至1200℃，恒温预烧2小时。

8、上述步骤3中，所述压片是先用粉末压片机在6～10mpa的压力下压制成圆柱状坯体，然后在210～230mpa的压力下冷等静压4～6分钟。

9、上述步骤3中，进一步优选以3～5℃/分钟的升温速率至1440℃，恒温烧结4小时。

10、与现有技术相比，本专利技术的有益效果：

11、1、本专利技术通过对(ba0.85ca0.85)(zr0.1ti0.9)o3陶瓷进行(nb0.5la0.5)4+掺杂改性，调控其居里温度至室温以下，使其在室温下呈现顺电相，从而提高bczt的储能密度和储能效率，获得了具有储能密度和储能效率高、击穿电场强度大和抗疲劳性能好等特点的储能陶瓷，击穿电场强度都在310kv/cm以上，在410kv/cm的工作电场下，能释放的储能密度为3.1j/cm3，储能效率为86.7％，可释放储能密度在循环105后波动不超过3％，可释放储能密度在1hz至150hz的频率范围内的波动不超过11％。

12、2、本专利技术陶瓷材料采用传统固相烧结法合成，制备工艺简单，成本低廉，可重复性好，且制备过程中不使用有毒的有机金属化合物，不产生有毒的附加产物，符合环境友好型的要求，适合工业化大规模生产。

13、3、本专利技术储能陶瓷材料可用于储能多层陶瓷电容器的制造，并且拓展了锆钛酸钡钙基陶瓷材料在储能方面的应用领域，有利于促进高储能密度陶瓷技术的应用与发展，具有良好的应用前景。

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【技术保护点】

1.一种具有高击穿场强的BCZT基储能陶瓷材料，其特征在于：该陶瓷材料的组成通式为(Ba0.85Ca0.85)[(Zr0.10Ti0.90)1-x(Nb0.5La0.5)x]O3，式中x的取值为0.06～0.15；该陶瓷材料在室温下为顺电相。

2.根据权要求1所述的具有高击穿场强的BCZT基储能陶瓷材料，其特征在于：x的取值为0.12。

3.一种权利要求1所述的具有高击穿场强的BCZT基储能陶瓷材料的制备方法，其特征在于所述制备方法包括下述步骤：

4.根据权利要求3所述的具有高击穿场强的BCZT基储能陶瓷材料的制备方法，其特征在于：步骤2中，将原料混合物以3～5℃/分钟的升温速率升温至1200℃，恒温预烧2小时。

5.根据权利要求3所述的具有高击穿场强的BCZT基储能陶瓷材料的制备方法，其特征在于：步骤3中，所述压片是用粉末压片机在6～10MPa的压力下压制成圆柱状坯体，然后在210～230MPa的压力下冷等静压4～6分钟。

6.根据权利要求5所述的具有高击穿场强的BCZT基储能陶瓷材料的制备方法，其特征在于：步骤3中，

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【技术特征摘要】

1.一种具有高击穿场强的bczt基储能陶瓷材料，其特征在于：该陶瓷材料的组成通式为(ba0.85ca0.85)[(zr0.10ti0.90)1-x(nb0.5la0.5)x]o3，式中x的取值为0.06～0.15；该陶瓷材料在室温下为顺电相。

2.根据权要求1所述的具有高击穿场强的bczt基储能陶瓷材料，其特征在于：x的取值为0.12。

3.一种权利要求1所述的具有高击穿场强的bczt基储能陶瓷材料的制备方法，其特征在于所述制备方法包括下述步骤：

4.根据权利要求3所述的具有高击穿场强...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨祖培，孙亚琼，彭战辉，晁小练，
申请(专利权)人：陕西师范大学，
类型：发明
国别省市：

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