高储能密度bst基铁电陶瓷的制备技术的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种BST基高储能密度铁电陶瓷的制备技术，该发明首先用固相反应法制备出BSCT(Ba0.3Sr0.6Ca0.1TiO3)陶瓷粉体，复合掺杂一定量的Bi2O3·3TiO2和不同含量的MgO，将制得的粉体加入15％PVA造粒后经单项轴压成型，得到生坯；生坯片以150℃/h的升温速度升温至800℃保温一小时排胶然后以200℃/h继续升温至1260～1340℃保温2h，得到BSCT基储能介质陶瓷。得到的陶瓷样品具有击穿强度高，储能密度较高的特点。
【专利说明】高储能密度BST基铁电陶瓷的制备技术
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种储能电容器陶瓷的制备技术，尤其是BST基储能电容器陶瓷的制 备技术。
【背景技术】
[0002] 高压电容器是电子设备中大量使用的主要元件之一，它具有隔直流和分离各种频 率的能力，无论是在工农业、国防、科学研究，还是在日常生活中，都有着广泛的应用。随着 能源需求的不断增加和化石燃料的持续消耗，提高传统能源利用效率和拓展新能源实用范 围的问题日益凸显。储能电容器具有储能密度高、充放电速度快、抗循环老化、适用于高温 高压等极端环境和性能稳定的优点，符合新时期能源利用的要求，在电力、电子系统中扮演 着越来越重要的角色。在民用方面，太阳能、风能等新能源发电系统以及混合动力汽车的逆 变设备中储能电容器是不可或缺的组成部分，但由于介电材料储能密度较低，使得储能电 容器占整个逆变设备体积的40%;在军事应用方面，坦克、电磁炮、定向能武器、电气化发射 平台以及综合全电力推进舰艇等负载都需要高达l〇〇kA的工作电流，如此高的电流只能由 高储能密度电容器提供。因此，改善陶瓷电容器的储能特性尤为受到大家的关注。
[0003] 随着材料科学的发展，储能电容器仍有较大的发展空间。改善其储能特性的关键 是研发高储能密度介电材料。近年来，鉴于钛酸锶钡（BST)陶瓷材料具有介电常数高、介质 损耗小、通过改变材料组成，可以在很宽的范围内调节材料的介电常数等优点，该系列材料 在功能陶瓷材料中应用面广，发展迅速。为了满足不同应用领域的需要，人们以BST系统为 基础，对其进行了大量的改性研究工作。其中，在掺杂改善BST陶瓷的介电性能方面取得了 很多令人满意的结果。这使人们获得了可同时具有一种或多种优越性能（高介电常数、低 介电损耗、高耐压、低容温变化率）的电容器陶瓷。因此，掺杂改善BST基陶瓷的节电性能 引起了广泛关注。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种MgO掺杂工艺及技术，提高BST基铁电陶瓷的击穿强度 及储能密度。
[0005] 实现本发明目的的具体技术方案是：
[0006] (l)BST基铁电陶瓷粉体的制备
[0007] ①以0&0)3、8&0) 3、5"03、1102粉末为起始原料，使摩尔比为0.1:0.3:0.6:1 ; 以扮203、1102粉末为起始原料，使摩尔比为1 : 3,分别以去离子水为介质，使料球水比为 1 : 4 : 1球磨24h，将物料于80°C恒温干燥箱中干燥；
[0008] ②将混好的物料在空气气氛中煅烧，BaC03+SrC03+CaC0 3+Ti02的温度为1180°C， Bi203+Ti02的温度为870°C，保温3h，然后自然降温至室温，得到Ba Q.3SrQ.6CaQ. Ji03和 Bi203 · 3Ti02 粉体；
[0009] ③按摩尔比BSCT/Bi203 ·3--02 = 0· 98/0. 02为基准配料，然后加入0?4. 5wt. % MgO,加入去离子水，以料：球：水=1 : 6 : 1的比例球磨24h，之后将物料于80°C恒温干 燥箱中干燥；
[0010] ⑵生坯的制备
[0011] ⑥将制得的BST基粉体经过造粒后进行单轴压制成型，制成直径为16. 5mm厚为 1mm的生述，压力为lOMPa ;
[0012] ⑶样品的烧结
[0013] ⑦将成型的生坯在800°C保温lh脱胶，之后在空气气氛中1260?1355°C烧结2h， 得到陶瓷样品。
[0014] 本发明的特点是：在制备陶瓷粉料的过程中，掺入不同含量的MgO,从而研究MgO 含量对样品性能的影响；选取含一定MgO含量的坯体，在1260?1355°C下烧结，从而研究 烧结温度对样品性能的影响。得出，当MgO的掺杂量为2. 0%其烧结温度为1340°C时，介电 陶瓷样品的击穿强度最高达19. 433kV/mm，储能密度达2. 223J/cm3。
【专利附图】
【附图说明】
[0015] 图1为利用本发明技术制备的掺杂不同含量MgO在1340°C下烧结得到的陶瓷致密 体的XRD图。
[0016] 图2为利用本发明技术制备的掺杂不同含量MgO在1340°C下烧结所得样品的介电 常数随MgO含量的变化曲线图。
[0017] 图3为利用本发明技术制备的掺杂不同含量MgO在1340°C下烧结所得样品的介电 损耗随MgO含量的变化曲线图。
[0018] 图4为利用本发明技术制备的掺杂不同含量MgO在1340°C下烧结所得样品的击穿 强度随MgO含量的变化曲线图。
[0019] 图5为利用本发明技术制备的掺杂不同含量MgO在1340°C下烧结所得样品P-E曲 线。
【具体实施方式】
[0020] 实施例1
[0021] 以0&0)3、8&0)3、5"0 3、1102粉末为起始原料，使摩尔比为0.1:0.3:0.6:1， 以扮20 3、1102粉末为起始原料，使摩尔比为1 : 3,两者均按料：球：水=1 : 4 : 1在球 磨机上球磨24h，然后将物料于80°C恒温干燥箱中干燥；
[0022] 将混好的物料在空气气氛中煅烧，升温速率为150°C /h，CaC03+BaC03+SrC03+Ti02 煅烧温度为1180°C，Bi203+Ti02的煅烧温度为870°C，保温时间为3h，然后以200°C /h降温 至 800°C 以下随炉冷却，得到 BauSrwCaa.JiOjBSCT)和 Bi203 · 3Ti02 粉体；
[0023] 以BSCT/Bi203 · 3Ti02 = 0· 98/0. 02为基准配料，然后加入去离子水，以料：球： 水=1 : 6 : 1的比例球磨24h，之后将物料于80°C恒温干燥箱中干燥；
[0024] 将制得的粉体加入15% PVA造粒后进行单轴压制成型，制成直径为16. 5mm厚为 1mm的生述，压力为lOMPa ;
[0025] 将成型的生坯以150°C /h升温至800°C保温lh脱胶，之后以200°C /h升温至 1340°C在空气气氛中烧结2h，然以200°C/h降温至800°C以下随炉冷却至室温，得到陶瓷样 品。
[0026] 实施例2
[0027] 以0&0)3、8&0)3、5"03、1102粉末为起始原料，使摩尔比为0.1:0.3:0.6:1， 以扮 203、1102粉末为起始原料，使摩尔比为1 : 3,两者均按料：球：水=1 : 4 : 1在球 磨机上球磨24h，然后将物料于80°C恒温干燥箱中干燥；
[0028] 将混好的物料在空气气氛中煅烧，升温速率为150°C /h，CaC03+BaC03+SrC03+Ti02 煅烧温度为1180°C，Bi203+Ti02的煅烧温度为870°C，保温时间为3h，然后以200°C /h降温 至800°C以下随炉冷却，得到Ba^Sr^Ca^TiOs和Bi203 · 3Ti02粉体；
[0029] 以 BSCT/Bi203 · 3Ti02 = 0· 98/0. 02 为基准配料，并分别加入 1. 5wt. % MgO,然后 加入去离子水，以料：球：水=1 : 6 : 1的比例球磨24h，之后将物料于80°C恒温干燥箱 中干燥；
[0030] 将制得的粉体加入15% PVA造粒后进行单轴压制成型，制成直径为16. 5mm厚为 1mm的生述，压力为lOMPa ;
[0031] 将成型的生坯以150°C /h升温至800°C保温lh脱胶，之后以200°C /h升温至 1260?1355°C在空气气氛中烧结2h，然以200°C /h降温至800°C以下随炉冷却至室温，得 到陶瓷样品。
[0032] 实施例3
[0033] 以0&0)3、8&0)3、5"0 3、1102粉末为起始原料，使摩尔比为0.1:0.3:0.6:1， 以扮20 3、1102粉末为起始原料，使摩尔比为1 : 3,两者均按料：球：水=1 : 4 : 1在球 磨机上球磨24h，然后将物料于80°C恒温干燥箱中干燥；
[0034] 将混好的物料在空气气氛中煅烧，升温速率为150°C /h，CaC03+BaC03+SrC03+Ti02 煅烧温度为1180°C，Bi203+Ti02的煅烧温度为870°C，保温时间为3h，然后以200°C /h降温 至800°C以下随炉冷却，得到Ba^Sr^Ca^TiOs和Bi203 · 3Ti02粉体；
[0035] 以 BSCT/Bi203 · 3Ti02 = 0· 98/0. 02 为基准配料，并分别加入 2. Owt. % MgO,然后 加入去离子水，以料：球：水=1 : 6 : 1的比例球磨24h，之后将物料于80°C恒温干燥箱 中干燥；
[0036] 将制得的粉体加入15% PVA造粒后进行单轴压制成型，制成直径为16. 5mm厚为 1mm的生述，压力为lOMPa ;
[0037] 将成型的生坯以150°C /h升温至800°C保温lh脱胶，之后以200°C /h升温至 1260?1355°C在空气气氛中烧结2h，然以200°C /h降温至800°C以下随炉冷却至室温，得 到陶瓷样品。
[0038] 实施例4
[0039] 以0&0)3、8&0)3、5"0 3、1102粉末为起始原料，使摩尔比为0.1:0.3:0.6:1， 以扮20 3、1102粉末为起始原料，使摩尔比为1 : 3,两者均按料：球：水=1 : 4 : 1在球 磨机上球磨24h，然后将物料于80°C恒温干燥箱中干燥；
[0040] 将混好的物料在空气气氛中煅烧，升温速率为150°C /h，CaC03+BaC03+SrC03+Ti02 煅烧温度为1180°C，Bi203+Ti02的煅烧温度为870°C，保温时间为3h，然后以200°C /h降温 至800°C以下随炉冷却，得到Ba^Sr^Ca^TiOs和Bi203 · 3Ti02粉体；
[0041] 以 BSCT/Bi203 · 3Ti02 = 0· 98/0. 02 为基准配料，并分别加入 2. 5wt. % MgO,然后 加入去离子水，以料：球：水=1 : 6 : 1的比例球磨24h，之后将物料于80°C恒温干燥箱 中干燥；
[0042] 将制得的粉体加入15% PVA造粒后进行单轴压制成型，制成直径为16. 5mm厚为 1mm的生述，压力为lOMPa ;
[0043] 将成型的生坯以150°C /h升温至800°C保温lh脱胶，之后以200°C /h升温至 1340°C在空气气氛中烧结2h，然以200°C/h降温至800°C以下随炉冷却至室温，得到陶瓷样 品。
[0044] 实施例5
[0045] 以0&0)3、8&0)3、5"0 3、1102粉末为起始原料，使摩尔比为0.1:0.3:0.6:1， 以扮20 3、1102粉末为起始原料，使摩尔比为1 : 3,两者均按料：球：水=1 : 4 : 1在球 磨机上球磨24h，然后将物料于80°C恒温干燥箱中干燥；
[0046] 将混好的物料在空气气氛中煅烧，升温速率为150°C /h，CaC03+BaC03+SrC03+Ti02 煅烧温度为1180°C，Bi203+Ti02的煅烧温度为870°C，保温时间为3h，然后以200°C /h降温 至800°C以下随炉冷却，得到Ba^Sr^Ca^TiOs和Bi203 · 3Ti02粉体；
[0047] 以 BSCT/Bi203 · 3Ti02 = 0· 98/0. 02 为基准配料，并分别加入 3. Owt. % MgO,然后 加入去离子水，以料：球：水=1 : 6 : 1的比例球磨24h，之后将物料于80°C恒温干燥箱 中干燥；
[0048] 将制得的粉体加入15% PVA造粒后进行单轴压制成型，制成直径为16. 5mm厚为 1mm的生述，压力为lOMPa ;
[0049] 将成型的生坯以150°C /h升温至800°C保温lh脱胶，之后以200°C /h升温至 1340°C在空气气氛中烧结2h，然以200°C/h降温至800°C以下随炉冷却至室温，得到陶瓷样 品。
[0050] 实施例6
[0051] 以0&0)3、8&0)3、5"0 3、1102粉末为起始原料，使摩尔比为0.1:0.3:0.6:1， 以扮20 3、1102粉末为起始原料，使摩尔比为1 : 3,两者均按料：球：水=1 : 4 : 1在球 磨机上球磨24h，然后将物料于80°C恒温干燥箱中干燥；
[0052] 将混好的物料在空气气氛中煅烧，升温速率为150°C /h，CaC03+BaC03+SrC03+Ti02 煅烧温度为1180°C，Bi203+Ti02的煅烧温度为870°C，保温时间为3h，然后以200°C /h降温 至800°C以下随炉冷却，得到Ba^Sr^Ca^TiOs和Bi203 · 3Ti02粉体；
[0053] 以 BSCT/Bi203 · 3Ti02 = 0· 98/0. 02 为基准配料，并分别加入 3. 5wt. % MgO,然后 加入去离子水，以料：球：水=1 : 6 : 1的比例球磨24h，之后将物料于80°C恒温干燥箱 中干燥；
[0054] 将制得的粉体加入15% PVA造粒后进行单轴压制成型，制成直径为16. 5mm厚为 1mm的生述，压力为lOMPa ;
[0055] 将成型的生坯以150°C /h升温至800°C保温lh脱胶，之后以200°C /h升温至 1340°C在空气气氛中烧结2h，然以200°C/h降温至800°C以下随炉冷却至室温，得到陶瓷样 品。
[0056] 实施例7
[0057] 以0&0)3、8&0)3、5"0 3、1102粉末为起始原料，使摩尔比为0.1:0.3:0.6:1， 以扮203、1102粉末为起始原料，使摩尔比为1 : 3,两者均按料：球：水=1 : 4 : 1在球 磨机上球磨24h，然后将物料于80°C恒温干燥箱中干燥；
[0058] 将混好的物料在空气气氛中煅烧，升温速率为150°C /h，CaC03+BaC03+SrC03+Ti02 煅烧温度为1180°C，Bi203+Ti02的煅烧温度为870°C，保温时间为3h，然后以200°C /h降温 至800°C以下随炉冷却，得到Ba^Sr^Ca^TiOs和Bi203 · 3Ti02粉体；
[0059] 以 BSCT/Bi203 · 3Ti02 = 0· 98/0. 02 为基准配料，并分别加入 4. Owt. % MgO,然后 加入去离子水，以料：球：水=1 : 6 : 1的比例球磨24h，之后将物料于80°C恒温干燥箱 中干燥；
[0060] 将制得的粉体加入15% PVA造粒后进行单轴压制成型，制成直径为16. 5mm厚为 1mm的生述，压力为lOMPa ;
[0061] 将成型的生坯以150°C /h升温至800°C保温lh脱胶，之后以200°C /h升温至 1340°C在空气气氛中烧结2h，然以200°C/h降温至800°C以下随炉冷却至室温，得到陶瓷样 品。
[0062] 实施例8
[0063] 以0&0)3、8&0)3、5"0 3、1102粉末为起始原料，使摩尔比为0.1:0.3:0.6:1， 以扮20 3、1102粉末为起始原料，使摩尔比为1 : 3,两者均按料：球：水=1 : 4 : 1在球 磨机上球磨24h，然后将物料于80°C恒温干燥箱中干燥；
[0064] 将混好的物料在空气气氛中煅烧，升温速率为150°C /h，CaC03+BaC03+SrC03+Ti02 煅烧温度为1180°C，Bi203+Ti02的煅烧温度为870°C，保温时间为3h，然后以200°C /h降温 至800°C以下随炉冷却，得到Ba^Sr^Ca^TiOs和Bi203 · 3Ti02粉体；
[0065] 以 BSCT/Bi203 · 3Ti02 = 0· 98/0. 02 为基准配料，并分别加入 4. 5wt. % MgO,然后 加入去离子水，以料：球：水=1 : 6 : 1的比例球磨24h，之后将物料于80°C恒温干燥箱 中干燥；
[0066] 将制得的粉体加入15% PVA造粒后进行单轴压制成型，制成直径为16. 5mm厚为 1mm的生述，压力为lOMPa ;
[0067] 将成型的生坯以150°C /h升温至800°C保温lh脱胶，之后以200°C /h升温至 1340°C在空气气氛中烧结2h，然以200°C/h降温至800°C以下随炉冷却至室温，得到陶瓷样 品。
【权利要求】
1. 一种高储能密度BST基铁电陶瓷的制备，其特征在于该制备技术及性能研究的具体 步骤如下： (1) BST基铁电陶瓷粉体的制备 @以0&0)3、8&0)3、5"0 3、1102粉末为起始原料，使摩尔比为0.1:0.3:0.6:1; 以扮203、1102粉末为起始原料，使摩尔比为1 : 3,分别以去离子水为介质，使料球水比为 1 : 4 : 1球磨24h，将物料于80°C恒温干燥箱中干燥； ② 将混好的物料在空气气氛中煅烧，BaC03+SrC03+CaC03+Ti0 2的温度为1180°C， Bi203+Ti02的温度为870°C，保温3h，然后自然降温至室温，得到BauSi^Ca。. Ji03 (BSCT)和 Bi203 · 3Ti02 粉体； ③ 按摩尔比BSCT/Bi203 ·3--02 = 0· 98/0. 02为基准配料，然后加入0?4. 5wt. % MgO， 加入去离子水，以料：球：水=1 : 6 : 1的比例球磨24h，之后将物料于80°C恒温干燥箱 中干燥； (2) 生坯的制备 ④ 将制得的BST基粉体经过造粒后进行单轴压制成型，制成直径为16. 5mm厚为1mm的 生坯，压力为lOMPa ; (3) 样品的烧结 ⑤ 将成型的生坯在800°C保温lh脱胶，之后在空气气氛中1260?1355°C烧结2h，得到 陶瓷样品。
2. 根据权利要求1所述的陶瓷样品的制备技术，其特征在于：步骤③中加入不同含量 的 MgO。
3. 根据权利要求1所述的陶瓷样品的制备技术，其特征在于：步骤⑦中以100°C /h的 速率升温，在800°C保温lh，之后以150°C /h的升温速度升温在1260?1355°C保温2h之 后仍以150°C /h的速率降温，在800°C以下随炉冷却。
【文档编号】C04B35/63GK104058750SQ201310108791
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2013年3月19日 优先权日:2013年3月19日
【发明者】董桂霞, 李媛媛, 吴頔, 刘秋香 申请人:河北联合大学