【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及钛酸铋钠基多层陶瓷电容器及其制备方法。
技术介绍
1、近年来，陶瓷储能电容器因其功率密度高、充放电速率快和循环寿命长等优点，在先进电子和电力系统中起着至关重要的作用，尤其在脉冲功率
有着不可替代的应用。然而，目前陶瓷储能电容器相对较低的储能性能已无法满足电子器件向集成化、轻量化和小型化方向发展的需求。从经验上讲，大极化差值(δp，δp＝pmax-pr)和高击穿场强(eb)是获得高储能密度wrec和高储能效率η的必备条件。
2、钙钛矿结构bi0.5na0.5tio3(bnt)基弛豫铁电陶瓷因具有高的极化响应，被认为是制备介电储能电容器的优选绿色环保型材料体系之一。近年来，研究学者通过形成固溶体、离子取代、掺杂改性、构建晶粒“核壳”结构、构建层状厚膜结构等提升极化差值δp和/或击穿场强eb，使得nbt基陶瓷的储能性能得到了大幅度的提高。虽然bnt基陶瓷的储能密度得到了有效提高，但是大多数研究报道其有效储能密度wrec仍低于10j/cm3，而且其能量存储系数(wrec/eb)仍然较低。此外，不同的应用场景需要储能陶瓷具有不同的应用温区，例如，临近汽车发动机处的电容器需要在150℃以上工作，因此，温度稳定性和使用温区也是储能陶瓷研究需要考虑的重要指标。综上所述，研发具有高储能性能兼顾宽应用温区的bnt基陶瓷电容器对于推动该类材料及元器件的实用化进程具有十分重要的意义。
技术实现思路
1、本专利技术是要解决现有技术下bnt基弛豫铁电陶瓷储能性能(wrec、η和
2、一种高储能性能兼顾宽实用温区的钛酸铋钠基多层陶瓷电容器，它的化学通式为(1-x)(bi0.5na0.5)ztio3-xmtiyn(1-y)o3，其中0.00<x<1.00，0.02≤y≤1.00，0.9≤z≤1.1，m为mg、ca、ba和sr中的一种或几种的组合，n为zr、hf和sn中的一种或几种的组合；
3、所述的高储能性能兼顾宽实用温区的钛酸铋钠基多层陶瓷电容器的平均晶粒尺寸在亚微米级别，且相对密度大于97％，单层介电层的平均厚度为5μm～80μm，有效储能密度wrec＞10j/cm3，能量存储系数wrec/eb≥130j/(kv·m2)，储能效率η＞85％；在测试温度区间为20℃～190℃时，wrec和η的变化率均小于8％；在测试频率区间为0.2hz～500hz时，wrec和η变化率均小于6％。
4、一种高储能性能兼顾宽实用温区的钛酸铋钠基多层陶瓷电容器的制备方法，它是按以下步骤完成的：
5、一、预烧粉的制备：
6、①按照化学通式为(1-x)(bi0.5na0.5)ztio3-xmtiyn(1-y)o3的化学计量比称取bi2o3粉体、na2co3粉体、tio2粉体、m碳酸盐粉体和n氧化物粉体为原料，其中0.00<x<1.00，0.02≤y≤1.00，0.9≤z≤1.1，m碳酸盐粉体为mgco3、caco3、baco3和srco3中的一种或几种的组合，n氧化物粉体为zro2、hfo2和sno2中的一种或几种的组合；所述的n氧化物粉体的粒径≤100nm；所述的原料纯度均≥99％；
7、②以无水乙醇为介质，将称取的bi2o3粉体、na2co3粉体、tio2粉体、m碳酸盐粉体和n氧化物粉体球磨混合并烘干，得到混合原料；
8、③以升温速率为2℃/min～10℃/min，将混合原料升温至650℃～900℃，并在温度为650℃～900℃的条件下，预烧0.5h～8h，得到(1-x)(bi0.5na0.5)ztio3-xmtiyn(1-y)o3预烧粉；
9、所述的(1-x)(bi0.5na0.5)ztio3-xmtiyn(1-y)o3预烧粉为纯钙钛矿相且粒径小于300nm；
10、④将(1-x)(bi0.5na0.5)ztio3-xmtiyn(1-y)o3预烧粉进行二次球磨，然后烘干，得到预烧粉；
11、二、流延膜片的制备：
12、将预烧粉、溶剂、分散剂、粘合剂和塑化剂球磨混合，得到混合液，将混合液真空抽泡，得到流延浆料，在速度为0.5cm/s～15cm/s的条件下，将流延浆料在流延机上流延，然后干燥，得到流延膜片；
13、所述的流延膜片的厚度为10μm～100μm；
14、三、多层储能陶瓷电容器的制备：
15、①将流延膜片切割，得到膜片，根据介质层设计厚度使用膜片，在介质层间涂覆内电极浆料，然后将介质层交叉层叠，再在叠好的介质层上下表面处叠上未涂覆内电极的膜片，得到叠片后的生坯；
16、②在热压温度为25℃～90℃及压力为10mpa～50mpa的条件下，将叠片后的生坯热压1min～60min，然后在温度为25℃～90℃和压力为10mpa～50mpa的条件下，热水匀压1min～60min，得到热水匀压后的素坯；
17、③以升温速率为0.1℃/min～5℃/min，将热水匀压后的素坯升温至500℃～700℃，并在温度为500℃～700℃的条件下，排胶1h～30h，然后在压力为100mpa～300mpa的条件下，冷等静压1min～10min，得到多层陶瓷生坯；
18、④将多层陶瓷生坯置于双层氧化铝密闭坩埚中，用步骤一④制备的预烧粉将多层陶瓷生坯覆盖，以2℃/min～20℃/min的升温速率升到温度1000℃～1200℃，并在温度为1000℃～1200℃的条件下，保温1h～10h进行烧结，得到多层陶瓷块体；
19、⑤将多层陶瓷块体上下表面打磨、超声清洗并烘干，然后涂覆端电极浆料，再以0.5℃/min～10℃/min的升温速率升温至500℃～700℃，并在温度为500℃～700℃的条件下保温30min～90min进行烧渗电极，得到高储能性能兼顾宽实用温区的钛酸铋钠基多层陶瓷电容器。
20、原理：本专利技术通过多尺度极性结构协同调控策略制备具有高储能密度、高储能效率并兼顾优异的温度&频率稳定性和宽工作温区的(1-x)(bi0.5na0.5)ztio3-xmtiyn(1-y)o3多层储能陶瓷电容器。具体来说：①在原子尺度上，在具有高极化强度的bnt基体中引入具有宽禁带能隙的mtiyn(1-y)o3，提高(1-x)(bi0.5na0.5)ztio3-xmtiyn(1-y)o3陶瓷的禁带能隙宽度，从而提高陶瓷的抗击穿强度eb；②在电畴尺度上，mtiyn(1-y)o3的引入破坏了bi0.5na0.5tio3基体中的长程铁电序，产生具有高动态响应和低能量势垒特点的极性纳米微区(pnrs)，增强了陶瓷的弛豫特性，提升了极化差pmax-pr；③从晶粒尺度上，采用细晶基体粉和流延工艺制备样品，在烧结过程中形成高致密度、低孔隙率且具有亚微米级别晶粒尺寸的微观结构，进一步提高陶瓷的eb；④从本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种高储能性能兼顾宽实用温区的钛酸铋钠基多层陶瓷电容器，其特征在于它的化学通式为(1-x)(Bi0.5Na0.5)zTiO3-xMTiyN(1-y)O3，其中0.00<x<1.00，0.02≤y≤1.00，0.9≤z≤1.1，M为Mg、Ca、Ba和Sr中的一种或几种的组合，N为Zr、Hf和Sn中的一种或几种的组合；
2.根据权利要求1所述的一种高储能性能兼顾宽实用温区的钛酸铋钠基多层陶瓷电容器，其特征在于0.00<x<0.50，0.02≤y≤0.60，0.95≤z≤1.05。
3.如权利要求1所述的一种高储能性能兼顾宽实用温区的钛酸铋钠基多层陶瓷电容器的制备方法，其特征在于它是按以下步骤完成的：
4.根据权利要求3所述的一种高储能性能兼顾宽实用温区的钛酸铋钠基多层陶瓷电容器的制备方法，其特征在于步骤一②中所述的球磨混合具体是在转速为150r/min～350r/min的条件下，球磨混合10h～96h。
5.根据权利要求3所述的一种高储能性能兼顾宽实用温区的钛酸铋钠基多层陶瓷电容器的制备方法，其特征在于步骤一
6.根据权利要求3所述的一种高储能性能兼顾宽实用温区的钛酸铋钠基多层陶瓷电容器的制备方法，其特征在于步骤二中所述的溶剂为二甲苯与乙醇的混合溶液；步骤二中所述的分散剂为熔鲱鱼油；步骤二中所述的粘合剂为聚乙烯醇缩丁醛；步骤二中所述的塑化剂为聚亚烷基二醇和邻苯二甲酸丁苄酯的混合。
7.根据权利要求3所述的一种高储能性能兼顾宽实用温区的钛酸铋钠基多层陶瓷电容器的制备方法，其特征在于步骤二中将预烧粉、溶剂、分散剂、粘合剂和塑化剂球磨混合2h～48h，得到混合液，将混合液真空抽泡0.5h～5h，得到流延浆料。
8.根据权利要求3所述的一种高储能性能兼顾宽实用温区的钛酸铋钠基多层陶瓷电容器的制备方法，其特征在于步骤三①中所述的内电极浆料为Pt浆料或者Ag-Pd浆料。
9.根据权利要求3所述的一种高储能性能兼顾宽实用温区的钛酸铋钠基多层陶瓷电容器的制备方法，其特征在于步骤三①所述的叠片后的生坯中介质层的层数为n，n≥2。
10.根据权利要求3所述的一种高储能性能兼顾宽实用温区的钛酸铋钠基多层陶瓷电容器的制备方法，其特征在于步骤三⑤所述的端电极浆料为银电极浆料。
...【技术特征摘要】
1.一种高储能性能兼顾宽实用温区的钛酸铋钠基多层陶瓷电容器，其特征在于它的化学通式为(1-x)(bi0.5na0.5)ztio3-xmtiyn(1-y)o3，其中0.00<x<1.00，0.02≤y≤1.00，0.9≤z≤1.1，m为mg、ca、ba和sr中的一种或几种的组合，n为zr、hf和sn中的一种或几种的组合；
2.根据权利要求1所述的一种高储能性能兼顾宽实用温区的钛酸铋钠基多层陶瓷电容器，其特征在于0.00<x<0.50，0.02≤y≤0.60，0.95≤z≤1.05。
3.如权利要求1所述的一种高储能性能兼顾宽实用温区的钛酸铋钠基多层陶瓷电容器的制备方法，其特征在于它是按以下步骤完成的：
4.根据权利要求3所述的一种高储能性能兼顾宽实用温区的钛酸铋钠基多层陶瓷电容器的制备方法，其特征在于步骤一②中所述的球磨混合具体是在转速为150r/min～350r/min的条件下，球磨混合10h～96h。
5.根据权利要求3所述的一种高储能性能兼顾宽实用温区的钛酸铋钠基多层陶瓷电容器的制备方法，其特征在于步骤一④中将(1-x)(bi0.5na0.5)ztio3-xmtiyn(1-...
【专利技术属性】
技术研发人员：常云飞，谢航，刘琳婧，吕蕊，寇蔷薇，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
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