高温度稳定性兼高储能特性的Bi3+掺杂钛酸铋钠基无铅铁电陶瓷材料及其制备方法

本发明属于陶瓷材料，具体涉及一种高温度稳定性兼具高储能特性的bi3+掺杂钛酸铋钠基无铅铁电陶瓷材料及其制备方法。

背景技术：

1、能源是人类存在和发展的物质基石，随着工业生产的迅猛发展，电子器件小型化、集成化需求不断增长，应用领域工作环境的复杂化对其介电温度稳定性提出了更为苛刻的使用要求。因此兼具高温度稳定性和高储能特性的无铅储能陶瓷材料的研究与开发具有重要的实际应用意义。bi0.5na0.5tio3基无铅铁电陶瓷由于其结构中bi3+与pb2+的最外层电子结构相同，被认为是替代铅基储能陶瓷的最佳备选材料，同时其较高的居里温度和介电温谱中表现出的双介电峰结构，使其有望在相对较宽的温度范围内获得良好的介电温度稳定性。但目前对于高储能特性兼具温度稳定性的储能陶瓷材料的研究尚少。

2、如何能够在钛酸铋钠(bnt)基无铅铁电陶瓷材料中实现温度稳定性兼具储能特性的综合特性提升是当前亟需解决的热点问题。cn 113735578 b公开了一种高介电温度稳定兼具储能特性的钛酸铋钠基无铅铁电陶瓷材料及其制备方法，即(1-x)bi0.5na0.5tio3-xcasno3陶瓷材料，当x＝0.15时，在-94～500℃的温度范围内，容温变化率满足tcc150℃≤±15％，温度稳定性较好，但仅有1.1j/cm3的有效储能密度。同时，q.y.zhou等人(achievinghigh comprehensive energy storage properties of bnt-based ceramics viamultiscale regulation,ceram.int.49(2023)19701-19707.)介绍了多尺度调控bnt基陶瓷实现综合储能特性提升，即(1-x)(0.93bi0.5na0.5tio3-0.07casno3)-xsrtio3陶瓷材料，当x＝0.5时，具有4.2j/cm3的有效储能密度和88％的储能效率，但其温度稳定性不佳。中高温工作环境的使用需求迫使高温度稳定性兼具储能性能陶瓷材料仍需进一步探究，且具有重要的研究潜力。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决(1-x)(0.93bi0.5na0.5tio3-0.07casno3)-xsrtio3陶瓷材料温度稳定性不佳的问题，提供一种高温度稳定性兼具高储能特性的bi3+掺杂钛酸铋钠基无铅铁电陶瓷材料，并为其提供一种工艺简单、重复性好、成本低廉的制备方法。

2、针对上述目的，本发明所采用的陶瓷材料的结构式为0.5(0.93bi0.5na0.5tio3-0.07casno3)-0.5sr1-1.5xbixtio3，其中x的取值为0.12～0.30，优选x的取值为0.20。

3、本发明bi3+掺杂钛酸铋钠基无铅铁电陶瓷材料的制备方法由下述步骤组成：

4、步骤1：按照0.5(0.93bi0.5na0.5tio3-0.07casno3)-0.5sr1-1.5xbixtio3的化学计量比，分别称取纯度为98.00％以上的caco3、tio2、na2co3、bi2o3、sno2、srco3，将称取的所有原料混合均匀后装入尼龙罐中，以锆球为磨球、无水乙醇为球磨介质，充分混合球磨20～24小时，在60～80℃下干燥20～24小时，得到原料混合物；

5、步骤2：将原料混合物在850～950℃预烧2～4小时，经二次球磨、干燥、过筛，得到0.5(0.93bi0.5na0.5tio3-0.07casno3)-0.5sr1-1.5xbixtio3混合物；

6、步骤3：将步骤2得到的0.5(0.93bi0.5na0.5tio3-0.07casno3)-0.5sr1-1.5xbixtio3混合物压片后，在1000～1210℃恒温烧结2～4小时，随炉自然冷却至室温，制备成bi3+掺杂钛酸铋钠基无铅铁电陶瓷材料。

7、上述步骤2中，将原料混合物在850～950℃预烧2～4小时，所得预烧粉装入尼龙罐中，充分混合球磨20～24小时，在60～80℃下干燥12～24小时，用研钵研磨，过180～200目筛。

8、上述步骤3中，所述压片是用粉末压片机压制成圆柱状坯件，然后在150～200mpa的压力下冷等静压5～7分钟，再将冷等静压后的圆柱状坯件放在氧化锆平板上，将氧化锆平板置于氧化铝密闭匣钵中，以2～5℃/分钟的升温速率至1100～1210℃，恒温烧结2～4小时。

9、上述步骤3中，优选以3℃/分钟的升温速率升温至1170℃烧结3小时。

10、本发明的有益效果如下：

11、1、本发明选择在0.5(0.93bi0.5na0.5tio3-0.07casno3)-0.5srtio3体系进行a位bi3+取代，通过bi3+的引入抑制了晶粒生长，降低了晶粒尺寸和气孔数量，提高了陶瓷的致密度，进而提高了陶瓷材料的击穿场强。另外，bi3+的引入，使得陶瓷由正常铁电体逐渐转变为弛豫铁电体，而且居里温度向室温移动，有助于获得细长的p-e曲线，最终获得兼具高储能密度和高储能效率的储能陶瓷材料。

12、2、本发明在陶瓷材料的制备过程中，采用了先进的冷等静压成型技术，避免了样品的浪费，节省了粘结剂以及后续排胶工艺的成本，缩短了陶瓷的制备周期；同时，利用冷等静压成型的坯体密度高、密度均匀一致、坯体内应力小，减少了坯体开裂、分层等缺陷，这为陶瓷的质量提供了保障，为优异的实验结果奠定了基础，且本发明所选用的原料不含铅等重金属，对环境友好，具有更高的储能性能且兼具良好的温度稳定性，为高温度稳定性兼具高储能特性无铅铁电陶瓷材料的开发提供了新的备选材料方案。

技术特征：

1.一种高温度稳定性兼高储能特性的bi3+掺杂钛酸铋钠基无铅铁电陶瓷材料，其特征在于：所述陶瓷材料的结构式为0.5(0.93bi0.5na0.5tio3-0.07casno3)-0.5sr1-1.5xbixtio3，其中x的取值为0.12～0.30。

2.根据权利要求1所述的高温度稳定性兼高储能特性的bi3+掺杂钛酸铋钠基无铅铁电陶瓷材料，其特征在于：x的取值为0.20。

3.一种权利要求1所述的高温度稳定性兼高储能特性的bi3+掺杂钛酸铋钠基无铅铁电陶瓷材料的制备方法，其特征在于所述制备方法包括下述步骤：

4.根据权利要求3所述的高温度稳定性兼高储能特性的bi3+掺杂钛酸铋钠基无铅铁电陶瓷材料的制备方法，其特征在于：步骤2中，将原料混合物在850～950℃预烧2～4小时，所得预烧粉装入尼龙罐中，充分混合球磨20～24小时，在60～80℃下干燥12～24小时，用研钵研磨，过180～200目筛。

5.根据权利要求3所述的高温度稳定性兼高储能特性的bi3+掺杂钛酸铋钠基无铅铁电陶瓷材料的制备方法，其特征在于：步骤3中，所述压片是用粉末压片机压制成圆柱状坯件，然后在150～200mpa的压力下冷等静压5～7分钟。

6.根据权利要求5所述的高温度稳定性兼高储能特性的bi3+掺杂钛酸铋钠基无铅铁电陶瓷材料的制备方法，其特征在于：步骤3中，将冷等静压后的圆柱状坯件放在氧化锆平板上，将氧化锆平板置于氧化铝密闭匣钵中，以2～5℃/分钟的升温速率至1100～1210℃，恒温烧结2～4小时。

7.根据权利要求6所述的高温度稳定性兼高储能特性的bi3+掺杂钛酸铋钠基无铅铁电陶瓷材料的制备方法，其特征在于：步骤3中，以3℃/分钟的升温速率升温至1170℃恒温烧结3小时。

技术总结
本发明公开了一种高温度稳定性兼高储能特性的Bi<supgt;3+</supgt;掺杂钛酸铋钠基无铅铁电陶瓷材料及其制备方法，该陶瓷材料的结构通式为0.5(0.93Bi<subgt;0.5</subgt;Na<subgt;0.5</subgt;TiO<subgt;3</subgt;‑0.07CaSnO<subgt;3</subgt;)‑0.5Sr<subgt;1‑</subgt;<subgt;1.5x</subgt;Bi<subgt;x</subgt;TiO<subgt;3</subgt;，其中x的取值为0.12～0.30，其通过配料、球磨、预烧、二次球磨、过筛、压片、烧结制备而成。本发明制备方法简单、成本低廉、重复性好、成品率高，所得陶瓷材料具有高储能密度和高温度稳定性，其中x＝0.20时，其有效储能密度为4.02J/cm<supgt;3</supgt;，储能效率可达80.2％。本发明陶瓷材料具有更高的温度稳定性和储能特性，有望在脉冲功率系统领域提供新的备选材料。

技术研发人员：杨祖培,蒋名佳,彭战辉,晁小练
受保护的技术使用者：陕西师范大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15