一种新型CaTiO₃基线性储能介质陶瓷材料及其制备方法

一种新型CaTiO₃基线性储能介质陶瓷材料及其制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种新型CaTiO3基线性储能介质陶瓷材料及其制备方法。CaTiO3基线性储能介质陶瓷材料，其特征在于：表达式为ZnxCa0.97?xLa0.03Ti0.97Al0.03O3，其中x＝0.01～0.2。制备方法，以CaCO3、TiO2、La2O3、Al2O3和ZnO为原料，按照化学式ZnxCa0.97?xLa0.03Ti0.97Al0.03O3，其中x＝0.01～0.2中化学计量比要求进行称量配料、混合后球磨，烘干，1000～1150℃进行预烧，然后二次球磨得到预烧粉体，将预烧粉体过筛后添加胶粘剂造粒、成型，然后排胶得到陶瓷坯体，再将陶瓷坯体于空气中1200～1300℃保温烧结而得。通过对CaTiO3基陶瓷进行Zn2+和La3+/Al3+共掺，得到ZnxCa0.97?xLa0.03Ti0.97Al0.03O3线性储能介质陶瓷材料。其具有低介电损耗、频率稳定性好，介电常数适中，击穿强度较高的特点。
【专利说明】
-种新型CaT i化基线性储能介质陶瓷材料及其制备方法
技术领域
[0001 ]本发明设及一种化Ti化陶瓷为基体的高工作溫度下具有低介电损耗、频率稳定性 好，介电常数适中，击穿强度较高的储能介质陶瓷。
【背景技术】
[0002] 对于脉冲功率系统来说，高的介电常数是脉冲功率向小型化，紧凑性，系统化发展 的必然要求;好的耐压性能则是提高设备寿命和可靠性的必要条件;低的介电损耗是低能 量损耗和脉冲波形(尤其对纳秒窄脉冲来说)具有好的下降沿的重要保证;高溫下好的频率 稳定性是使储能介质陶瓷在极端条件下稳定工作的重要要求之一。
[0003] 目前固态脉冲形成线用储能介质材料的研究比较多的有聚合物材料、玻璃储能材 料和储能介质陶瓷。聚合物和玻璃材料具有高的击穿强度，但是其低的介电常数和差的高 溫稳定性限制了其广泛应用。储能介质陶瓷中比较常见的为BaxSri-xTi化体系，但是其击穿 强度却很低，且高溫时的介电损耗比较大。CaTi〇3基介质陶瓷具有适当可调的介电常数，低 的介电损耗，介电常数不随外加电场变化的优点，可作为脉冲形成线储能介质比较理想的 候选材料，但化Ti化介质陶瓷高的烧结溫度（1440°〇 -定程度上限制了其在大尺寸固态脉 冲形成线上的应用。而且其击穿强度较低(200kV/cm)，不能满足脉冲形成线的需求，但是击 穿强度的提高则会导致介电常数的下降，如何在尽量少的降低介电常数的情况下最多的提 高击穿强度成为了研究的热点。另外，CaTi〇3介质陶瓷的高溫(〉150°〇介电损耗比较大，而 且频率稳定性也不好。目前将化Ti化基介质陶瓷作为脉冲形成线储能介质的研究的报道也 很少。

【发明内容】

[0004] 针对W上现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题之一是提供了一种通过对 CaTi〇3基陶瓷进行化和La3VAl3+共渗，得到&0：日日.97-山1日.日311日.9741日.日3〇3线性储能介质陶 瓷材料。其具有低介电损耗、频率稳定性好，介电常数适中，击穿强度较高的特点。
[000引本发明所要解决的技术问题之二是提供一种上述&0：日日.97-山1日.日31'1日.9741日.日303线 性储能介质陶瓷材料的制备方法，其烧结溫度相对较低，成本低廉，工艺简单，具有可重复 性。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：
[0007] 〔31'1〇3基线性储能介质陶瓷材料，其特征在于：表达式为211、〔3().97- xLa0.03Ti0.97Al0.03O3，其中x = 0.01~0.2。
[000引化Ti化基线性储能介质陶瓷材料的制备方法，其特征在于：WCaC03、Ti化、La2化、 A!203和ZnO为原料，按照化学式alχCa日.97-χLa日.日3Ti日.94Al日.日303，其中x = 0.01~0.2中化学计 量比要求进行称量配料、混合后球磨，烘干，1000~115(TC进行预烧，然后二次球磨得到预 烧粉体，将预烧粉体过筛后添加胶粘剂造粒、成型，然后排胶得到陶瓷巧体，再将陶瓷巧体 于空气中1200~1300°C保溫烧结而得。
[0009] 按上述方案，所述的球磨为w无水乙醇作为溶剂，氧化错球作为球磨介质在球磨 罐中湿法球磨20~26小时。
[0010] 按上述方案，所述的烘干为将湿法球磨后的粉料在100°C~150°C烘20h~2地至粉 料干燥备用。
[0011] 按上述方案，所述的造粒用胶粘剂为1-2.5wt%的聚乙締醇溶液。
[0012] 按上述方案，所述成型后的巧体直径100mm，厚度约1mm;所述的排胶溫度为600°C。
[0013] 按上述方案，所述的保溫烧结时间为2-地。
[0014] 按上述方案，所述的排胶升溫速率为1~：rC/min，保溫时间优选为2~3小时。
[001引按上述方案，所述的CaC03、Ti02、La203和ZnO纯度大于99%，A!203纯度大于99.9%， 粒径为纳米级别。
[0016]本发明具有W下有益效果：
[0017] (1)本发明通过将La37Al3+和Zn2+适量渗入CaTi〇3晶格而提供的CaTi〇3基樂性储能 介质陶瓷材料化山日日.97-山日日.日311日.9741日.日地3相对于纯的化11化陶瓷结构更加稳定，并具有低 介电损耗、频率稳定性好，介电常数适中，击穿强度较高的特点。同时可降低烧结溫度。
[0018] (2)制备工艺简单，烧结溫度较低，成本低廉，可重复性好。
【附图说明】
[0019]图巧本发明对比例中纯化TiO澗瓷不同溫度下的介电常数和介电损耗随频率的 变化图。
[0020] 图2为本发明实施例1中2邮.日肪日.961^曰日.日311日.9741日.日3〇澗瓷不同溫度下的介电常数 和介电损耗随频率的变化图。
[0021 ] 图3为本发明实施例2中Zno.o日〔曰日.921曰日.日31';[日.9741日.日30澗瓷不同溫度下的介电常数 和介电损耗随频率的变化图。
[00剖图4为本发明实施例3中2]1日.1〔曰日.871曰日.日31'；[日.9741日.日303陶瓷不同溫度下的介电常数 和介电损耗随频率的变化图。
[002；3] 图5为本发明实施例4中2]1日.2〔曰日.771曰日.日31'；[日.9741日.日303陶瓷不同溫度下的介电常数 和介电损耗随频率的变化图。
[0024]图6为本发明实施例1~4陶瓷的电滞回线图。
[002引图7为本发明实施例1陶瓷的邸D图。
[00%]图8为本发明实施例3陶瓷的X畑图。
【具体实施方式】
[0027]为使本发明的目的和优点更加清楚明白，W下结合实施例对本发明进行进一步详 细说明，但本发明不限于下面的实施例，在本发明的基础上进行的任何改进都属于本发明 的保护范围。
[002引对照例W纯度大于99%的化C03和Ti化为原料，按照摩尔比化/Ti为1:1进行称量配 料，W无水乙醇作为溶剂，氧化错球作为球磨介质在球磨罐中球磨24小时;然后将湿法球磨 后的粉料在i00°c烘24h至粉料干燥，放入氧化侣相蜗中在iiocrc下预烧2小时，二次球磨烘 干后过100目筛;然后加入2wt%粘结剂进行造粒，干压成型为直径10mm，厚度约1mm的巧体， WrC/min的升溫速率升到600°C保溫2小时，排胶得到生料巧体;将生料巧体在马弗炉中经 过1440°C保溫2小时得到化C03储能介质陶瓷。该实施例的介电常数和介电损耗在不同溫度 下随频率的变化关系如图1所示，烧结溫度、介电性能及击穿强度见表1。
[0029] 实施例1~4
[0030] W纯度大于99%的化0)3、1'1〇2、1^曰2〇3、211〇和纯度大于99.9%的纳米412〇3为原料， 按照化学式ZnxCa〇.97-xLa〇.〇3Ti〇.97Al〇.〇3〇3进行称量配料，其中X分别为0.01、0.05、0.巧日0.2， 分别W无水乙醇作为溶剂，氧化错球作为球磨介质在球磨罐中球磨24小时;然后将湿法球 磨后的粉料在l〇〇°C烘24h至粉料干燥，放入氧化侣相蜗中在1050-1100°C下预烧2小时，二 次球磨烘干后过100目筛;然后分别加入l.Owt%~2.5wt%粘结剂进行造粒，干压成型为直 径10mm，厚度约1mm的巧体，WrC/min的升溫速率升到600°C保溫2小时，排胶得到生料巧 体;分别将生料巧体在马弗炉中经过1280 °C保溫化、1280 °C保溫化、1280 °C保溫化和1250 °C 保溫化得到aixCao. 97-止日日.03Ti〇. 97A10.日3〇3储能介质陶瓷。
[0031] 实施例2~5的介电常数和介电损耗在不同溫度下随频率的变化关系分别如图2~ 5所示，电滞回线如图6所示，由图可W看出该体系陶瓷是线性电介质，实施例1的XRD图见图 7,实施例2的XRD图与实施例1近似，实施例3的XRD图如图8所示，实施例4的XRD图类似图3， 如7和图8可看出：本发明La37Al3+和Zn2+渗入化Ti化晶格，晶体结构仍为斜方晶系，在Zn渗 量较大时，会有少量第二相化2Ti3〇8生成。介电性能在不同溫度下，频率大于Ik化时的变化 范围及击穿强度见表1。
[0032] 表1可W看到，本发明通过对CaTi〇3基陶瓷进行Zn2 +和La37Al3 +共渗，得到的 ZnxCao.97-xLao.〇3Tio.97Alo.〇3〇3线性储能介质陶瓷材料相比较纯的CaT〇3陶瓷烧结溫度显著降 低，介电常数和介电损耗的频率稳定性尤其是高溫频率稳定性150°C )得到了明显的提 高，击穿强度也得到很大的改善，由200kV/cm最高可提高到32化V/cm;储能密度由0.318J/ cm3最高可提高到0.659J/cm3(其中实施例1:击穿强度（kV/cm):275;储能密度（J/cm 3): 0.425;实施例2:击穿强度化￥八111):325;储能密度〇八1113):0.659;实施例4:击穿强度化￥/ cm): 300;储能密度（J/cm3): 0.478)。
[0033] 表 1
[0034]
【主权项】
1丄&1'；[〇3基线性储能介质陶瓷材料，其特征在于：表达式为211』3().97-xLa〇.〇3Ti().97Al().()3〇3，其中x = 0 · Ol~O · 2 〇2. 权利要求1所述的C a T i 0 3基线性储能介质陶瓷材料的制备方法，其特征在于：以 CaC03、Ti02、La203、Al 2〇3 和 ZnO 为原料，按照化学式 ZnxCao. 97-xLao. Q3Tith97Alo. Q3O3，其中X = 0.01~0.2中化学计量比要求进行称量配料、混合后球磨，烘干，1000~1150 °C进行预烧，然 后二次球磨得到预烧粉体，将预烧粉体过筛后添加胶粘剂造粒、成型，然后排胶得到陶瓷坯 体，再将陶瓷坯体于空气中1200~1300°C保温烧结而得。3. 根据权利要求2所述的CaTiO3基线性储能介质陶瓷材料的制备方法，其特征在于:所 述的球磨为以无水乙醇作为溶剂，氧化锆球作为球磨介质在球磨罐中湿法球磨20~26小 时。4. 根据权利要求2所述的CaTi〇3基线性储能介质陶瓷材料的制备方法，其特征在于:所 述的烘干为将湿法球磨后的粉料在100 °C~150 °C烘20h~24h至粉料干燥备用。5. 根据权利要求2所述的CaTi〇3基线性储能介质陶瓷材料的制备方法，其特征在于:所 述的造粒用胶粘剂为I -2.5wt %的聚乙稀醇溶液。6. 根据权利要求2所述的CaTi〇3基线性储能介质陶瓷材料的制备方法，其特征在于:所 述成型后的还体直径100mm，厚度约1mm。7. 根据权利要求2所述的CaTi〇3基线性储能介质陶瓷材料的制备方法，其特征在于:所 述的保温烧结时间为2_4h。8. 根据权利要求2所述的CaTi〇3基线性储能介质陶瓷材料的制备方法，其特征在于:所 述的排胶温度为600°C ;所述的排胶升温速率为1~:TC/min。
【文档编号】C04B35/622GK105948737SQ201610307916
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月11日
【发明人】曹明贺, 张亚萍, 刘韩星, 郝华, 尧中华
【申请人】武汉理工大学