一种介电储能反铁电陶瓷材料及其制备方法与流程

本发明属于电能储存材料领域，更具体地，涉及一种介电储能反铁电陶瓷材料及其制备方法。

背景技术：

按工作机制分类，电储存器件可分为蓄电池、电化学电容器和介电电容器三大类。介质电容器通过介质极化、电畴转向或相变行为来进行能量存储，比容量较小(低于30w·h/kg)，但比功率非常高(可达108w/kg)，适于高脉冲电压或者电流供应，且在抗循环老化和快速放电方面明显优于蓄电池和电化学电容器。目前，介电电容器已成为太阳能、风能等新能源发电系统以及混合动力交通工具逆变设备储能系统中不可或缺的组成部分；电磁炮、定向能武器、综合全电力推动舰艇等负载所需要的高驱动电流也只有该类电容器可以提供。然而，介电电容器实际应用中朝小型化、轻型化、恶劣环境下工作及多功能方向发展对电容器储能密度及温度稳定性提出了更高的要求。提高电容器储能特性的关键在于开发出具有高储能密度及高温度稳定性的电介质材料。

国内外在高储能密度反铁电材料上的研制水平基本一致，主要研究对象为铅镧锆锡钛(plzst)材料。已有结果表明，结合四方相plzst饱和极化强度高、铁电→反铁电相变场(ea)小和正交相plzst陶瓷饱和极化强度偏低，铁电-反铁电相变电场通常高于普通陶瓷的击穿场强的特点，设计四方相/正交相复合反铁电陶瓷，可实现提高反铁电陶瓷储能密度的目的。如专利号为cn201310659224.9的中国发明专利《一种反铁电储能陶瓷材料及其制备方法》(授权公告号为cn103641477a)，又如题为《plzst基反铁电陶瓷的相变行为及储能性能研究》的博士学位论文。上述文献均提到采用结合两相优势的方法达到提升反铁电陶瓷储能密度的目的，对电子产品朝小型化、轻型化发展具有重要的应用价值。

然而，除了高储能密度外，目前的电力电子设备和系统面临着亟待解决问题：良好的温度稳定性，尤其是当材料在高温下使用，如＞100℃时。恶劣的温度稳定性使材料不能满足在极端条件下的应用，如航空航天电力电子、地下天然气和石油勘探等。薄膜方面，biaolinpeng等对pbz进行研究，得到温度从25℃到275℃温区范围内储能密度降低5％的弛豫薄膜。厚膜方面，内蒙古科技大学获得在25℃到200℃温区范围内储能密度由6.80j/cm³下降到6.40j/cm³的pblzst反铁电厚膜材料。陶瓷方面，zhenliu等制备出了储能密度w＝1.37j/cm³且温度由20℃升至100℃时储能密度降幅≤15％的反铁电陶瓷材料。ranxu等研究的plzst反铁电陶瓷材料的储能密度由0.74j/cm³(20℃)下降到0.29j/cm³(140℃)。可知，现有陶瓷材料的储能密度温度稳定性远不能满足应用需求。

由此可见，现有的反铁电陶瓷材料存在温度稳定性差的技术问题。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种介电储能反铁电陶瓷材料及其制备方法，由此解决现有的反铁电陶瓷材料存在温度稳定性差的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种介电储能反铁电陶瓷材料的制备方法，包括：

(1)将储能密度负温度系数反铁电陶瓷粉体材料和储能密度正温度系数反铁电陶瓷粉体材料按照质量比(30-80)∶(20-70)混合得到混合粉末；

(2)向混合粉末中添加聚乙烯醇溶液，然后烧结得到介电储能反铁电陶瓷材料。

进一步的，储能密度负温度系数反铁电陶瓷粉体材料和储能密度正温度系数反铁电陶瓷粉体材料的质量比优选为：80∶20、60∶40、50∶50、45∶55或者30∶70。

进一步的，储能密度负温度系数反铁电陶瓷粉体材料的化学式为(pb0.97-xbaxla0.02)(zr0.65sn0.3ti0.05)o3，x＝0～0.08。

进一步的，储能密度负温度系数反铁电陶瓷粉体材料的制备方法为：

依照摩尔比(0.97-x)∶x∶0.01∶0.65∶0.3∶0.05，x＝0～0.08，称取原料pbo、baco3、la2o3、zro2、sno2和tio2，将原料混合后依次进行球磨、烘干，在800℃～850℃中保温2小时～3小时得到粉料，将粉料依次进行球磨、烘干、过筛、并以20mpa的压力进行预压，预压后的粉料进行二次过筛，得到储能密度负温度系数反铁电陶瓷粉体材料。

进一步的，储能密度正温度系数反铁电陶瓷粉体材料的化学式为pb0.97la0.02(zr0.93sn0.05ti0.02)o3。

进一步的，储能密度正温度系数反铁电陶瓷粉体材料的制备方法为：

依照摩尔比0.97∶0.01∶0.93∶0.05∶0.02，称取原料pbo、la2o3、zro2、sno2和tio2，将原料混合后依次进行球磨、烘干，在800℃～850℃中保温2小时～3小时得到粉料，将粉料依次进行球磨、烘干、过筛，得到储能密度正温度系数反铁电陶瓷粉体材料。

进一步的，步骤(2)的具体实现方式为：

将混合粉末依次经过球磨、烘干和粉碎后，加入浓度3％～5％的聚乙烯醇溶液，聚乙烯醇溶液占混合粉末的质量百分比为6～10％，再经造粒、干压成型后，在1220℃～1250℃温度下烧结2～3小时，得到介电储能反铁电陶瓷材料。

按照本发明的另一方面，提供了一种介电储能反铁电陶瓷材料，所述介电储能反铁电陶瓷材料由本发明的制备方法制备得到。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明通过将储能密度负温度系数反铁电陶瓷粉体材料和储能密度正温度系数反铁电陶瓷粉体材料固溶，获得了在宽温区范围内(20℃-150℃)，储能密度稳定性＞85％、储能效率为85％(150℃)且最低储能密度为2.77j/cm³的储能材料。本发明解决了现有的反铁电陶瓷材料存在温度稳定性差的技术问题，这对反铁电储能陶瓷材料的实际应用具有重要价值。

附图说明

图1是本发明对比例1提供的储能密度负温度系数反铁电陶瓷材料的电滞回线示意图；

图2是本发明对比例1提供的储能密度负温度系数反铁电陶瓷材料的储能效率及储能密度温度稳定性示意图；

图3是本发明对比例2提供的储能密度正温度系数反铁电陶瓷材料的电滞回线示意图；

图4是本发明对比例2提供的储能密度正温度系数反铁电陶瓷材料的储能效率及储能密度温度稳定性示意图；

图5是本发明实施例1-5和对比例1-2提供的反铁电陶瓷样品xrd示意图；

图6(a)是本发明对比例1提供的储能密度负温度系数反铁电陶瓷材料的sem图谱；

图6(b)是本发明对比例2提供的储能密度正温度系数反铁电陶瓷材料的sem图谱；

图6(c)为本发明实施例3提供的介电储能反铁电陶瓷材料的sem图谱；

图7是本发明实施例3提供的介电储能反铁电陶瓷材料在不同温度下的电滞回线示意图。

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，以下结合附图及实施例，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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种介电储能反铁电陶瓷材料的制备方法，包括：

(1)将储能密度负温度系数反铁电陶瓷粉体材料和储能密度正温度系数反铁电陶瓷粉体材料按照质量比(30-80)∶(20-70)混合得到混合粉末；

(2)向混合粉末中添加聚乙烯醇溶液，然后烧结得到介电储能反铁电陶瓷材料。

实施例1

(1)储能密度负温度系数反铁电陶瓷粉体材料的制备：

依照摩尔比0.93∶0.04∶0.01∶0.65∶0.3∶0.05称取原料pbo(99.9％)、baco3(99.8％)、la2o3(99.9％)、zro2(99.5％)、sno2(99.6％)和tio2(99.6％)，采用湿式球磨法，按照原料∶酒精＝1∶0.6的质量比球磨6个小时，烘干后以5℃每分钟升至850℃，于空气中保温3小时。将所得粉料进行球磨、烘干、过筛，以20mpa的压力进行预压，预压后的粉料进行二次过筛，得到储能密度负温度系数反铁电陶瓷材料的预烧粉体。

(2)储能密度正温度系数反铁电陶瓷粉体材料的制备：

依照摩尔比0.97∶0.01∶0.93∶0.05∶0.02，称取原料pbo(99.9％)、la2o3(99.9％)、zro2(99.5％)、sno2(99.6％)和tio2(99.6％)，采用湿式球磨法，按照原料∶酒精＝1∶0.6的质量比球磨6个小时，烘干后以5℃每分钟升至850℃，于空气中保温3小时。将所得粉料进行球磨、烘干、过筛，即得储能密度正温度系数反铁电陶瓷材料的预烧粉体。

(3)储能密度负温度系数反铁电陶瓷粉体材料与储能密度正温度系数反铁电陶瓷粉体材料固溶：

将储能密度负温度系数反铁电陶瓷粉体材料与储能密度正温度系数反铁电陶瓷粉体材料按照30∶70的质量比进行混合，球磨混合4小时，烘干和粉碎后，加入浓度5％的pva(聚乙烯醇)溶液，溶液占粉末的质量百分比为8％，再经造粒、干压成型后，在1230℃温度下烧结3小时，并在1000℃下退火1个小时，制成介电储能反铁电陶瓷材料。

实施例2

(1)用实施例1中(1)相同的方法制得储能密度负温度系数反铁电陶瓷材料的预烧粉体；

(2)用实施例1中(2)相同的方法制得储能密度正温度系数反铁电陶瓷材料的预烧粉体；

(3)将储能密度负温度系数反铁电陶瓷材料与储能密度正温度系数反铁电陶瓷材料按照50∶50的质量比进行混合，球磨混合4小时，烘干和粉碎后，加入浓度5％的pva溶液，溶液占粉末的质量百分比为8％，再经造粒、干压成型后，在1230℃温度下烧结3小时，并在1000℃下退火1个小时，制成介电储能反铁电陶瓷材料。

实施例3

(1)用实施例1中(1)相同的方法制得储能密度负温度系数反铁电陶瓷材料的预烧粉体；

(2)用实施例1中(2)相同的方法制得储能密度正温度系数反铁电陶瓷材料的预烧粉体；

(3)将储能密度负温度系数反铁电陶瓷材料与储能密度正温度系数反铁电陶瓷材料按照55∶45的质量比进行混合，球磨混合4小时，烘干和粉碎后，加入浓度5％的pva溶液，溶液占粉末的质量百分比为8％，再经造粒、干压成型后，在1230℃温度下烧结3小时，并在1000℃下退火1个小时，制成介电储能反铁电陶瓷材料。

实施例4

(1)用实施例1中(1)相同的方法制得储能密度负温度系数反铁电陶瓷材料的预烧粉体；

(2)用实施例1中(2)相同的方法制得储能密度正温度系数反铁电陶瓷材料的预烧粉体；

(3)将储能密度负温度系数反铁电陶瓷材料与储能密度正温度系数反铁电陶瓷材料按照60∶40的质量比进行混合，球磨混合4小时，烘干和粉碎后，加入浓度5％的pva溶液，溶液占粉末的质量百分比为8％，再经造粒、干压成型后，在1230℃温度下烧结3小时，并在1000℃下退火1个小时，制成介电储能反铁电陶瓷材料。

实施例5

(1)用实施例1中(1)相同的方法制得储能密度负温度系数反铁电陶瓷材料的预烧粉体；

(2)用实施例1中(2)相同的方法制得储能密度正温度系数反铁电陶瓷材料的预烧粉体；

(3)将储能密度负温度系数反铁电陶瓷材料与储能密度正温度系数反铁电陶瓷材料按照80∶20的质量比进行混合，球磨混合4小时，烘干和粉碎后，加入浓度5％的pva溶液，溶液占粉末的质量百分比为8％，再经造粒、干压成型后，在1230℃温度下烧结3小时，并在1000℃下退火1个小时，制成介电储能反铁电陶瓷材料。

对比例1

依照摩尔比0.93∶0.04∶0.01∶0.65∶0.3∶0.05称取原料pbo(99.9％)、baco3(99.8％)、la2o3(99.9％)、zro2(99.5％)、sno2(99.6％)和tio2(99.6％)，采用湿式球磨法，按照原料∶酒精＝1∶0.6的质量比球磨6个小时，烘干后以5℃每分钟升至850℃，于空气中保温3小时。加入浓度5％的pva溶液，溶液占粉末的质量百分比为8％，再经造粒、干压成型后，在1230℃温度下烧结3小时，并在1000℃下退火1个小时，制成反铁电储能陶瓷材料。

对比例2

依照摩尔比0.97∶0.01∶0.93∶0.05∶0.02，称取原料pbo(99.9％)、la2o3(99.9％)、zro2(99.5％)、sno2(99.6％)和tio2(99.6％)，采用湿式球磨法，按照原料∶酒精＝1∶0.6的质量比球磨6个小时，烘干后以5℃每分钟升至850℃，于空气中保温3小时。加入浓度5％的pva溶液，溶液占粉末的质量百分比为8％，再经造粒、干压成型后，在1230℃温度下烧结3小时，并在1000℃下退火1个小时，制成反铁电储能陶瓷材料。

将实施例1-5及对比例1-2所得的陶瓷试样磨片、清洗、烧制电极后进行电学性能测试，结果如表1所示。其中，储能密度稳定性以20℃下的有效储能密度为基准。

表1样品主要性能参数

根据主要性能参数及图1-7可知，本发明的反铁电储能材料主要具有以下特点：

(1)图1所示本发明对比例1提供的储能密度负温度系数反铁电陶瓷材料的电滞回线示意图，图2是本发明对比例1提供的储能密度负温度系数反铁电陶瓷材料的储能效率及储能密度温度稳定性示意图；综合分析图1和图2得知储能密度负温度系数反铁电陶瓷材料的储能密度随温度的升高明显降低，当温度达到150℃时，材料的储能密度温度稳定性＜50％。储能效率随温度变化较小。

(2)图3是本发明对比例2提供的储能密度正温度系数反铁电陶瓷材料的电滞回线示意图；图4是本发明对比例2提供的储能密度正温度系数反铁电陶瓷材料的储能效率及储能密度温度稳定性示意图；综合分析图3和图4得知储能密度正温度系数反铁电陶瓷材料的储能密度随温度的升高呈现先增加后减小的趋势，当温度低于100℃时，储能密度＜1j/cm³在150℃时获得最大值。储能效率随温度增加明显下降。

(3)图5是本发明实施例1-5和对比例1-2提供的反铁电陶瓷样品xrd示意图；实施例1-5和对比例1-2反铁电陶瓷样品的xrd表明，所有陶瓷主晶相均为钙钛矿结构，负温度系数及正温度系数固溶样品在44℃左右展现四个衍射峰。左右两边分别在(002)和(200)方向出现劈裂峰。该结果说明负温度系数及正温度系数反铁电材料得到了良好的固溶，这与固溶材料储能密度温度稳定性得到调整的结果相一致。

(4)图6(a)是本发明对比例1提供的储能密度负温度系数反铁电陶瓷材料的sem图谱；图6(b)是本发明对比例2提供的储能密度正温度系数反铁电陶瓷材料的sem图谱；图6(c)为本发明实施例3提供的介电储能反铁电陶瓷材料的sem图谱；图6(a)、图6(b)、图6(c)所示的反铁电陶瓷样品的sem图谱均呈现良好的致密度。其中图6(a)、图6(b)所示图谱中均呈现单一的晶粒形态；由于相同条件下晶粒生长的相异性图6(c)图中明显可见两种不同的晶粒形态。该结果同样说明负温度系数及正温度系数反铁电材料得到了良好的固溶，这与固溶材料储能密度温度稳定性得到调整的结果相一致。

(5)图7是本发明实施例3提供的介电储能反铁电陶瓷材料在不同温度下的电滞回线示意图。将图7与对比例1-2的电滞回线图谱对比可知，实施例3样品在20-150℃温区范围内均具有较典型的双电滞回线，样品的极化强度维持在较高的水平，并没有随温度发生突变。结合表1可知，实施例3样品在150℃时具有2.77j/cm³的有效储能密度，85％的储能效率以及86.67％的储能密度温度稳定性。

实施例6

(1)储能密度负温度系数反铁电陶瓷材料的制备：

依照摩尔比0.97∶0∶0.01∶0.65∶0.3∶0.05称取原料pbo(99.9％)、baco3(99.8％)、la2o3(99.9％)、zro2(99.5％)、sno2(99.6％)和tio2(99.6％)，采用湿式球磨法，按照原料∶酒精＝1∶0.6的质量比球磨6个小时，烘干后以5℃每分钟升至800℃，于空气中保温2小时。将所得粉料进行球磨、烘干、过筛，以20mpa的压力进行预压，预压后的粉料进行二次过筛，得到储能密度负温度系数反铁电陶瓷材料的预烧粉体。

(2)储能密度正温度系数反铁电陶瓷材料的制备：

依照摩尔比0.97∶0.01∶0.93∶0.05∶0.02，称取原料pbo(99.9％)、la2o3(99.9％)、zro2(99.5％)、sno2(99.6％)和tio2(99.6％)，采用湿式球磨法，按照原料∶酒精＝1∶0.6的质量比球磨6个小时，烘干后以5℃每分钟升至800℃，于空气中保温2小时。将所得粉料进行球磨、烘干、过筛，即得储能密度正温度系数反铁电陶瓷材料的预烧粉体。

(3)储能密度负温度系数反铁电陶瓷材料与储能密度正温度系数反铁电陶瓷材料固溶：

将储能密度负温度系数反铁电陶瓷材料与储能密度正温度系数反铁电陶瓷材料按照30∶70的质量比进行混合，球磨混合4小时，烘干和粉碎后，加入浓度3％的pva(聚乙烯醇)溶液，溶液占粉末的质量百分比为10％，再经造粒、干压成型后，在1220℃温度下烧结2.5小时，并在1000℃下退火1个小时，制成介电储能反铁电陶瓷材料。

实施例7

(1)储能密度负温度系数反铁电陶瓷材料的制备：

依照摩尔比0.89∶0.08∶0.01∶0.65∶0.3∶0.05称取原料pbo(99.9％)、baco3(99.8％)、la2o3(99.9％)、zro2(99.5％)、sno2(99.6％)和tio2(99.6％)，采用湿式球磨法，按照原料∶酒精＝1∶0.6的质量比球磨6个小时，烘干后以5℃每分钟升至820℃，于空气中保温2.5小时。将所得粉料进行球磨、烘干、过筛，以20mpa的压力进行预压，预压后的粉料进行二次过筛，得到储能密度负温度系数反铁电陶瓷材料的预烧粉体。

(2)储能密度正温度系数反铁电陶瓷材料的制备：

依照摩尔比0.97∶0.01∶0.93∶0.05∶0.02，称取原料pbo(99.9％)、la2o3(99.9％)、zro2(99.5％)、sno2(99.6％)和tio2(99.6％)，采用湿式球磨法，按照原料∶酒精＝1∶0.6的质量比球磨6个小时，烘干后以5℃每分钟升至820℃，于空气中保温2.5小时。将所得粉料进行球磨、烘干、过筛，即得储能密度正温度系数反铁电陶瓷材料的预烧粉体。

(3)储能密度负温度系数反铁电陶瓷材料与储能密度正温度系数反铁电陶瓷材料固溶：

将储能密度负温度系数反铁电陶瓷材料与储能密度正温度系数反铁电陶瓷材料按照30∶70的质量比进行混合，球磨混合4小时，烘干和粉碎后，加入浓度4％的pva(聚乙烯醇)溶液，溶液占粉末的质量百分比为6％，再经造粒、干压成型后，在1250℃温度下烧结2小时，并在1000℃下退火1个小时，制成介电储能反铁电陶瓷材料。

本领域的技术人员容易理解，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。