一种低损耗高储能密度钛酸铋钠基陶瓷的制备方法与流程

本发明属于介电储能材料技术领域，尤其涉及一种低损耗高储能密度钛酸铋钠基陶瓷的制备方法。

背景技术：

随着现代电子工业朝着微型化、高集成化方向发展以及新能源汽车的发展和使用，高储能密度电容器的发展需求逐渐显现。介电储能具有高功率密度、良好的温度稳定性以及优异的抗疲劳性能等优点。因此，介电材料是制备高功率大密度电容器最有前景的材料之一，但是目前介电材料的能量密度还远低于普通的电池储能，而高介电常数也常伴随着相对较大的损耗，难以满足新技术发展的需求。

“B.Y.Wang,L.H.Luo,X.J.Jiang,W.P.Li,and H.B.Chen,EnergyStorage Properties of(1-x)Bi_0.47Na_0.47Ba_0.06TiO₃-xKNbO₃Lead-Free Ceramics,J.Alloys.Comp.,14(8),2014,585”文章中采用固相合成法制备了BNT基三元陶瓷，其在100kV/cm电场下，能量密度达到0.89J/cm³，储能效率却仅为73％。“D.G.Zheng,R.Z.Zuo,D.S.Zhang,and Y.Li,Novel BiFeO₃–BaTiO₃–Ba(Mg_1/3Nb_2/3)O₃Lead-Free Relaxor Ferroelectric Ceramics for Energy-Storage Capacitors,J.Am.Ceram.Soc.,98(9),2015,2692–2695”中则制备了钛酸钡基三元陶瓷，其在电场为125kV/cm下，能量密度高达1.56J/cm³，但储能效率也只有75％。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种低损耗高储能密度钛酸铋钠基陶瓷的制备方法，旨在解决现有介电储能材料存在储能密度相对较小，损耗又过大的问题。

本发明是这样实现的，一种低损耗高储能密度钛酸铋钠基陶瓷，所述低损耗高储能密度钛酸铋钠基陶瓷的化学计量比为：

(1-x)(0.94Bi_0.5Na_0.5TiO₃-0.06BaTiO₃)-xBi_0.2Sr_0.7TiO₃(x＝0.26-0.32)。

本发明的另一目的在于提供一种所述低损耗高储能密度钛酸铋钠基陶瓷的制备方法，所述低损耗高储能密度钛酸铋钠基陶瓷的制备方法包括以下步骤：

步骤一，根据(1-x)(0.94Bi_0.5Na_0.5TiO₃-0.06BaTiO₃)-xBi_0.2Sr_0.7TiO₃化学配比称量一定量的分析纯Bi₂O₃，Na₂CO₃、TiO₂、BaCO₃和SrCO₃；

步骤二，将配好的料放入球磨罐中，按氧化锆球：料：酒精体积比为3:1:1的比例混料球磨，球磨时间为6-10小时；

步骤三，将球磨好的料烘干，然后压成大块，在800℃温度下预烧4-6小时得到预烧粉；

步骤四，将预烧粉再次放入球磨罐中，研磨10-12小时，烘干后过筛；

步骤五，将过筛后的粉压成直径为12mm，厚度为2mm左右的圆片，在250Mpa等静压下成型；

步骤六，将圆片在1100-1200℃下烧结2-4小时；

步骤七，将烧结成瓷的圆片，进行打磨和抛光，清洗后涂覆银浆，在550℃下烧成银电极。

进一步，所述低损耗高储能密度钛酸铋钠基陶瓷的制备方法包括以下步骤：

根据化学计量比称量9.3145g的Bi₂O₃，1.9608g的Na₂CO₃、7.987g的TiO₂、0.8762g的BaCO₃和2.6869g的SrCO₃，将称好的料放入球磨罐中，按氧化锆球：料：酒精体积比为3:1:1的比例混料球磨，球磨时间为6-10小时；将球磨好的料烘干后压大块，在800℃温度下预烧4-6小时，取出煅烧好的料研磨后再次球磨10-12小时，烘干后过筛；将过筛后的粉料预压成直径为12mm，厚度为2mm的圆片，在250MPa的等静压压力下成型；圆片在1100-1200℃下保温2-4小时；烧结成瓷之后，打磨抛光，然后涂敷银浆，在550℃下，保温30分钟烧成银电极。

进一步，所述低损耗高储能密度钛酸铋钠基陶瓷的制备方法包括以下步骤：

根据化学计量比称量9.1887g的Bi₂O₃，1.9078g的Na₂CO₃、7.987g的TiO₂、0.8526g的BaCO₃和2.8936g的SrCO₃，将称好的料放入球磨罐中，按氧化锆球：料：酒精体积比为3:1:1的比例混料球磨，球磨时间为6-10小时；将球磨好的料烘干后压大块，在800℃温度下预烧4-6小时，取出煅烧好的料研磨后再次球磨10-12小时，烘干后过筛；将过筛后的粉料预压成直径为12mm，厚度为2mm的圆片，在250MPa的等静压压力下成型；圆片在1100-1200℃下保温2-4小时；烧结成瓷之后，打磨抛光，然后涂敷银浆，在550℃下，保温30分钟烧成银电极。

进一步，所述低损耗高储能密度钛酸铋钠基陶瓷的制备方法包括以下步骤：

根据化学计量比称量9.0629g的Bi₂O₃，1.8548g的Na₂CO₃、7.987g的TiO₂、0.8289g的BaCO₃和3.1002g的SrCO₃，将称好的料放入球磨罐中，按氧化锆球：料：酒精体积比为3:1:1的比例混料球磨，球磨时间为6-10小时；将球磨好的料烘干后压大块，在800℃温度下预烧4-6小时，取出煅烧好的料研磨后再次球磨10-12小时，烘干后过筛；将过筛后的粉料预压成直径为12mm，厚度为2mm的圆片，在250MPa的等静压压力下成型；圆片在1100-1200℃下保温2-4小时；烧结成瓷之后，打磨抛光，然后涂敷银浆，在550℃下，保温30分钟烧成银电极。

进一步，所述低损耗高储能密度钛酸铋钠基陶瓷的制备方法包括以下步骤：

根据化学计量比称量8.9371g的Bi₂O₃，1.8018g的Na₂CO₃、7.987g的TiO₂、0.8052g的BaCO₃和3.3069g的SrCO₃，将称好的料放入球磨罐中，按氧化锆球：料：酒精体积比为3:1:1的比例混料球磨，球磨时间为6-10小时；将球磨好的料烘干后压大块，在800℃温度下预烧4-6小时，取出煅烧好的料研磨后再次球磨10-12小时，烘干后过筛；将过筛后的粉料预压成直径为12mm，厚度为2mm的圆片，在250MPa的等静压压力下成型；圆片在1100-1200℃下保温2-4小时；烧结成瓷之后，打磨抛光，然后涂敷银浆，在550℃下，保温30分钟烧成银电极。

本发明的另一目的在于提供一种包含所述低损耗高储能密度钛酸铋钠基陶瓷的制备方法制备低损耗高储能密度钛酸铋钠基陶瓷的高储能密度电容器。

本发明提供的低损耗高储能密度钛酸铋钠基陶瓷的制备方法，通过优化Bi_0.5Na_0.5TiO₃-BaTiO₃-Bi_0.2Sr_0.7TiO₃陶瓷配方，使得BNT基陶瓷的储能密度和能量效率都提高。室温下电场为95kV/cm时，其能量密度达到1.22J/cm³，储能效率高达91％。

附图说明

图1是本发明实施例提供的低损耗高储能密度钛酸铋钠基陶瓷的制备方法流程图。

图2是本发明实施例提供的实施例所得(1-x)(0.94Bi_0.5Na_0.5TiO₃-0.06BaTiO₃)-xBi_0.2Sr_0.7TiO₃陶瓷的X射线衍射图谱示意图。

图3是本发明实施例提供的实施例所得(1-x)(0.94Bi_0.5Na_0.5TiO₃-0.06BaTiO₃)-xBi_0.2Sr_0.7TiO₃陶瓷10kHz时的介电常数随温度的变化谱示意图。

图4是本发明实施例提供的室温下95kV/cm电场下Bi_0.2Sr_0.7TiO₃含量在30％时陶瓷的电滞回线示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

本发明实施例的低损耗高储能密度钛酸铋钠基陶瓷的化学计量比为：

(1-x)(0.94Bi_0.5Na_0.5TiO₃-0.06BaTiO₃)-xBi_0.2Sr_0.7TiO₃(x＝0.26-0.32)。

如图1所示，本发明实施例的低损耗高储能密度钛酸铋钠基陶瓷的制备方法包括以下步骤：

S101：根据(1-x)(0.94Bi_0.5Na_0.5TiO₃-0.06BaTiO₃)-xBi_0.2Sr_0.7TiO₃化学配比称量一定量的分析纯Bi₂O₃，Na₂CO₃、TiO₂、BaCO₃和SrCO₃；

S102：将配好的料放入球磨罐中，按氧化锆球：料：酒精体积比为3:1:1的比例混料球磨，球磨时间为6-10小时；

S103：将球磨好的料烘干，然后压成大块，在800℃温度下预烧4-6小时得到预烧粉；

S104：将预烧粉再次放入球磨罐中，研磨10-12小时，烘干后过筛；

S105：将过筛后的粉压成直径为12mm，厚度为2mm左右的圆片，在250Mpa等静压下成型；

S106：将圆片在1100-1200℃下烧结2-4小时；

S107：将烧结成瓷的圆片，进行打磨和抛光，清洗后涂覆银浆，在550℃下烧成银电极。

下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步的描述。

实施例1，根据化学计量比称量9.3145g的Bi₂O₃，1.9608g的Na₂CO₃、7.987g的TiO₂、0.8762g的BaCO₃和2.6869g的SrCO₃，将称好的料放入球磨罐中，按氧化锆球：料：酒精体积比为3:1:1的比例混料球磨，球磨时间为6-10小时；将球磨好的料烘干后压大块，在800℃温度下预烧4-6小时，取出煅烧好的料研磨后再次球磨10-12小时，烘干后过筛；将过筛后的粉料预压成直径为12mm，厚度为2mm的圆片，在250MPa的等静压压力下成型；圆片在1100-1200℃下保温2-4小时；烧结成瓷之后，打磨抛光，然后涂敷银浆，在550℃下，保温30分钟烧成银电极。从图2中BNT基材料的X射线衍射图谱看出，所制备的陶瓷为纯钙钛矿相，没有任何分峰则表明了其赝立方的结构。图3是10kHz下的介电温谱图。

实施例2，根据化学计量比称量9.1887g的Bi₂O₃，1.9078g的Na₂CO₃、7.987g的TiO₂、0.8526g的BaCO₃和2.8936g的SrCO₃，将称好的料放入球磨罐中，按氧化锆球：料：酒精体积比为3:1:1的比例混料球磨，球磨时间为6-10小时；将球磨好的料烘干后压大块，在800℃温度下预烧4-6小时，取出煅烧好的料研磨后再次球磨10-12小时，烘干后过筛；将过筛后的粉料预压成直径为12mm，厚度为2mm的圆片，在250MPa的等静压压力下成型；圆片在1100-1200℃下保温2-4小时；烧结成瓷之后，打磨抛光，然后涂敷银浆，在550℃下，保温30分钟烧成银电极。从图2中BNT基材料的X射线衍射图谱看出，所制备的陶瓷为纯钙钛矿相，没有任何分峰则表明了其赝立方的结构。图3是10kHz下的介电温谱图。

实施例3，根据化学计量比称量9.0629g的Bi₂O₃，1.8548g的Na₂CO₃、7.987g的TiO₂、0.8289g的BaCO₃和3.1002g的SrCO₃，将称好的料放入球磨罐中，按氧化锆球：料：酒精体积比为3:1:1的比例混料球磨，球磨时间为6-10小时；将球磨好的料烘干后压大块，在800℃温度下预烧4-6小时，取出煅烧好的料研磨后再次球磨10-12小时，烘干后过筛；将过筛后的粉料预压成直径为12mm，厚度为2mm的圆片，在250MPa的等静压压力下成型；圆片在1100-1200℃下保温2-4小时；烧结成瓷之后，打磨抛光，然后涂敷银浆，在550℃下，保温30分钟烧成银电极。从图2中BNT基材料的X射线衍射图谱看出，所制备的陶瓷为纯钙钛矿相，没有任何分峰则表明了其赝立方的结构。图3是10kHz下的介电温谱图，从图中可以看出x＝0.30时，其介电常数达到最大值为2693。图4是x＝0.30样品室温下，95kV/cm时的电滞回线，从中计算出其能量密度为1.22J/cm³，储能效率为91％。

实施例4，根据化学计量比称量8.9371g的Bi₂O₃，1.8018g的Na₂CO₃、7.987g的TiO₂、0.8052g的BaCO₃和3.3069g的SrCO₃，将称好的料放入球磨罐中，按氧化锆球：料：酒精体积比为3:1:1的比例混料球磨，球磨时间为6-10小时；将球磨好的料烘干后压大块，在800℃温度下预烧4-6小时，取出煅烧好的料研磨后再次球磨10-12小时，烘干后过筛；将过筛后的粉料预压成直径为12mm，厚度为2mm的圆片，在250MPa的等静压压力下成型；圆片在1100-1200℃下保温2-4小时；烧结成瓷之后，打磨抛光，然后涂敷银浆，在550℃下，保温30分钟烧成银电极。从图2中BNT基材料的X射线衍射图谱看出，所制备的陶瓷为纯钙钛矿相，没有任何分峰则表明了其赝立方的结构。图3是10kHz下的介电温谱图。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。