一种利用钽改性铌酸钠-锆酸钙基反铁电陶瓷储能的方法与流程

本发明涉及新能源材料技术领域，具体涉及一种利用钽改性铌酸钠-锆酸钙基反铁电陶瓷储能的方法。

背景技术：

现今，反铁电材料已经广泛应用于大位移驱动器、高功率脉冲电容器、能量存储器件等元器件，并在航空航天、精密仪器以及高端装备制造业等领域拥有广阔的应用前景。然而，由于传统的反铁电材料普遍含铅，这就势必会带来一定的环境安全隐患。因此，对于可替代传统铅基陶瓷材料的电子陶瓷材料的无铅化研究，便成为了近年来材料领域的热点之一。虽然经过了十多年的不断创新和发展，有效的提高了无铅反铁电陶瓷材料的研究水平，但在无铅陶瓷中仍存在反铁电相稳定性差、难以重复利用等关键性科学难题(openingupnewpathsforlead-freeceramicmaterials.sciencenews,2018；10:47-49)。

由于电子工业的快速发展，高储能密度的介质材料对许多电力电子器件的体积减少(体积效率)作用是显著的。电介质材料与化学储能装置，如电池和超级电容器相比，由于其快速充放电速率、抗老化和极端环境下的高性能稳定性，已被积极地研究用于储能应用。在现有的介电材料中，具有双极化滞后环的反铁电(afe)材料与铁电材料(fe)和线性介电材料相比表现出较高的静电能量密度。特别令人感兴趣的是，afe材料在低电场下显示出低的介电损耗，并且在afe到fe相变之前显示出最小的滞后，因为不存在外在畴壁运动贡献。然而，铅的使用引起了对环境的关注；为了克服这一缺点，研究集中于寻找替代性的无铅afe储能材料，其中agnbo3被认为是一种有前途的afe材料.(silverniobatelead-freeantiferroelectricceramics:enhancingenergystoragedensitybyb-sitedoping.appliedmaterials&interfaces,2018,10,819-826)

由于金属ag属于贵金属，原料成本高，便促使我们思考，我们是否可以采用一种反铁电材料基体来代替铌酸银体系来进行储能？

技术实现要素：

本发明所要解决的问题是：提供一种利用钽改性铌酸钠-锆酸钙基反铁电陶瓷储能的方法，采用固相合成法，在一定乙醇溶液中进行湿法球磨，获得颗粒微细、粒径均匀原粉；采用热处理烧结工艺，制备出高性能反铁电储能陶瓷。

本发明为解决上述问题所提供的技术方案为：一种利用钽改性铌酸钠-锆酸钙基反铁电陶瓷储能的方法，所述方法包括以下步骤，

1)、称量一定量的zro2、ta2o5、caco3、na2co3、nb2o5进行混合后得到铌酸钠基体，然后往铌酸钠基体中添加摩尔百分数为0～70％的钽；

2)、将混合后的粉料放入球磨罐中进行两次湿法球磨、干燥、过筛，并将压成坯体进行预烧；

3)、完成后倒入球磨罐中进行第三次湿法球磨，干燥，过筛，完成后将粉体用模具压成圆片；

4)、将圆片进行冷等静压，随后进行烧结；

5)、烧结样品进行测试分析。

优选的，所述步骤2)和步骤3)中湿法球磨中粉、球磨球和球磨介质的质量比例为1:0.8:2，球磨时间为4～30h。

优选的，所述步骤4)中烧结工艺的温度为1100℃～1500℃，烧结时间为1～24h。

优选的，所述步骤4)中冷等静压的条件：压力为180mpa，静压3min。

与现有技术相比，本发明的优点是：

(1)通过钽对铌酸钠-钙钛矿基体的作用下，诱导其反铁电性能；

(2)进行多次球磨，目的是为了让原料混合更加均匀，粒径更加细小，使样品微观上形成完整且细小的组织结构；

(3)预烧过程是为了其碳酸盐有效的分解，原粉之间结合的更好，以便于获得纯的铌酸盐纯相；

(4)根据储能公式计算出储能，从而判断哪个材料好(图1中阴影处面积大小即储能多少)；

(5)本发明制备工艺简便、经济合理，有利于生态系统的可持续发展，适合规模化工业生产。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为不同钽含量的铌酸钠-锆酸钙基反铁电陶瓷的xrd图。

图2为不同钽含量的铌酸钠-锆酸钙基反铁电陶瓷的sem图。

图3为不同钽含量的铌酸钠-锆酸钙基反铁电陶瓷的p-e图和j-e图，图中，(a),(c),(e)为不同钽含量的铌酸钠-锆酸钙基反铁电陶瓷的j-e图；(b),(d),(f)不同钽含量的铌酸钠-锆酸钙基反铁电陶瓷的p-e图。

具体实施方式

以下将配合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，藉此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。

实施例1：

取10.4864gna2co3、0.6004gcaco3、0.7398gzro2、25.7864gnb2o5用放入球磨罐中，在360r/min的转速下湿法球磨6h，球磨后的粉液在80℃的干燥箱中干燥，然后200目筛网过筛，将粉体压成坯体在900℃下保温2h进行预烧结，再次重复上述步骤。完成后倒入球磨罐中，在360r/min的转速下湿法球磨24h，进行第三次球磨。球磨后的粉液在80℃的干燥箱中干燥，然后200目筛网过筛，将粉体用模具压成圆片，随后进行冷等静压，在1350℃的高温马弗炉里保温2h进行烧结，烧结后的样品有明显的尺寸收缩。将样品研磨、抛光、清洗至0.25mm厚，将处理好的样品用aixacct进行电学性能测试，测试结果表明：施加的最高外电场为110kv/cm，出现铁电相向反铁相的转变。

实施例2：

取10.4864gna2co3、0.6004gcaco3、0.7398gzro2、24.2366gnb2o5、2.5718gta2o5用放入球磨罐中，在360r/min的转速下湿法球磨6h，球磨后的粉液在80℃的干燥箱中干燥，然后200目筛网过筛，将粉体压成坯体在900℃下保温2h进行预烧结，再次重复上述步骤。完成后倒入球磨罐中，在360r/min的转速下湿法球磨24h，进行第三次球磨。球磨后的粉液在80℃的干燥箱中干燥，然后200目筛网过筛，将粉体用模具压成圆片，随后进行冷等静压，在1350℃的高温马弗炉里保温2h进行烧结，烧结后的样品有明显的尺寸收缩。将样品研磨、抛光、清洗至0.25mm厚，将处理好的样品用aixacct进行电学性能测试，测试结果表明：施加的最高外电场为130kv/cm，出现铁电相向反铁相的转变。

实施例3：

取10.4864gna2co3、0.6004gcaco3、0.7398gzro2、21.916gnb2o5、6.4296gta2o5用放入球磨罐中，在360r/min的转速下湿法球磨6h，球磨后的粉液在80℃的干燥箱中干燥，然后200目筛网过筛，将粉体压成坯体在900℃下保温2h进行预烧结，再次重复上述步骤。完成后倒入球磨罐中，在360r/min的转速下湿法球磨24h，进行第三次球磨。球磨后的粉液在80℃的干燥箱中干燥，然后200目筛网过筛，将粉体用模具压成圆片，随后进行冷等静压，在1350℃的高温马弗炉里保温2h进行烧结，烧结后的样品有明显的尺寸收缩。将样品研磨、抛光、清洗至0.25mm厚，将处理好的样品用aixacct进行电学性能测试，测试结果表明：施加的最高外电场为150kv/cm，但其中并未出现铁电相向反铁相的转变。

本发明的有益效果是：

(1)通过钽对铌酸钠-钙钛矿基体的作用下，诱导其反铁电性能；

(2)进行多次球磨，目的是为了让原料混合更加均匀，粒径更加细小，使样品微观上形成完整且细小的组织结构；

(3)预烧过程是为了其碳酸盐有效的分解，原粉之间结合的更好，以便于获得纯的铌酸盐纯相；

(4)根据储能公式计算出储能，从而判断哪个材料好(图1中阴影处面积大小即储能多少)；

(5)本发明制备工艺简便、经济合理，有利于生态系统的可持续发展，适合规模化工业生产。

以上仅就本发明的最佳实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本发明不仅局限于以上实施例，其具体结构允许有变化。凡在本发明独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本发明保护范围内。