一种Ta、Al共掺杂钛酸锶基巨介电陶瓷材料及其制备方法与流程

本发明涉及电子功能材料，尤其涉及一种ta、al共掺杂srtio3基巨介电陶瓷材料及其制备方法。

背景技术：

1、巨介电陶瓷在能量存储与电子元器件微型化方面具有巨大的应用前景。常见的巨介电陶瓷材料包括batio3、cacu3ti4o12、nio与tio2等，其中由于batio3是铁电体，在居里温度120℃时会发生铁电相变，导致其介电常数急剧增加到6000～10000，影响其在高温下的使用；掺杂cacu3ti4o12基陶瓷虽然可以得到巨介电效应并且介电常数可以在宽的温度、频率范围内保持稳定，但较高的介电损耗限制了其应用；nio基陶瓷同样存在着介电损耗(＞0.3)难以降低的问题；掺杂tio2基陶瓷虽然兼具巨介电常数与低介电损耗，但其击穿强度较低，难以应用。因此，开发一种巨介电常数、低介电损耗、高击穿强度且介电性能的温度、频率稳定性良好的陶瓷材料是十分重要的。

2、纯srtio3有着较低的居里温度(102k)，可以在室温下保持顺电相，因此其介电常数可在较宽的温度范围内保持稳定，此外还兼具高击穿强度与低介电损耗的优点。然而纯相srtio3陶瓷的本征介电常数较低(～300)，难以满足巨介电材料的应用，因此需要通过掺杂改性与改进烧结工艺的方式来提升其介电性能。pu等人成功制备出在惰性气氛或还原气氛下烧结的单元素掺杂钛酸锶陶瓷，如：sr1-1.5xrextio3(re＝la、dy、nd、y、ce和er)陶瓷，结果表明这些陶瓷具有巨介电效应(＞104)。然而，许多结果也表明，单元素掺杂修饰不够灵活，无法获得全面多样的优异介电性能。而共掺杂可以提供更大的自由度来操纵其结构和介电性能，如pan(giant dielectric response in(nb+zn)co-doped strontium titanateceramics tailored by atmosphere,scr.mater.170(2019)166-171.)等人制备的srti0.985(zn1/3nb2/3)0.015o3陶瓷在氮气气氛下烧结可以获得～51000的巨介电常数与～0.03的低介电损耗；zhong等人(colossal dielectric permittivity in co-doping srtio3ceramics bynb and mg,ceram.int.46(2020)20565-20569.)制备的空气气氛烧结的nb、mg共掺杂srtio3陶瓷可以获得21026的介电常数与0.0354的介电损耗；chen等人(colossalpermittivity and low dielectric loss in(li,nb)co-doped srtio3ceramics with high frequency and temperature stability,ceram.int.48(2022)36393-36400.)制备的nb、li共掺杂srtio3陶瓷可以将介电常数提升至～17300，介电损耗控制在～0.017。但是，大部分的srtio3基巨介电陶瓷的介电常数都小于105量级，目前只有pu等人(simultaneously achieving colossal permittivity,ultralow dielectricloss tangent,and high insulation resistivity in er-doped srtio3 ceramics viaoxygen vacancy regulation.acs applied materials&interfaces,43(2022)48821-48832.)制备的er掺杂的srtio3陶瓷得到了～130000的介电常数，但是，该陶瓷材料需要在氢气气氛下烧结，由于氢气易燃易爆，限制了其大规模生产。

3、综上所述，目前的srtio3基陶瓷材料介电常数有待提高，且烧结气氛苛刻，亟需开发一种介电常数在105量级，且无需在氢气下烧结、容易大规模生产的srtio3基陶瓷材料。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种ta、al共掺杂srtio3基巨介电陶瓷材料及其制备方法。本发明提供的ta、al共掺杂srtio3基巨介电陶瓷材料介电常数在105量级，且介电常数的频率、温度稳定性良好，且该巨介电陶瓷材料烧结时无需氢气气氛，仅在氮气条件下烧结即可，容易进行大规模生产。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、一种ta、al共掺杂srtio3基巨介电陶瓷材料，化学式如式i所示：

4、srti1-x(ta0.5al0.5)xo3式i；

5、式i中：x的取值范围为2％＜x≤5％。

6、优选的，所述ta、al共掺杂srtio3基巨介电陶瓷材料在室温、1khz的测试频率下介电常数为123000～225000，介电损耗范围为0.04～0.07。

7、本发明还提供了上述方案所述的ta、al共掺杂srtio3基巨介电陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：

8、(1)按照式i中的化学计量比，将srco3、tio2、al2o3和ta2o5进行一次球磨，将所得的一球次球磨料干燥后进行煅烧，得到煅烧粉；

9、(2)将所述的煅烧粉二次球磨后依次进行过筛和干燥，得到二次球磨料；

10、(3)将所述的二次球磨料、粘结剂和水混合后依次进行陈腐、造粒和干压成型，得到陶瓷坯体；

11、(4)将所述陶瓷坯体依次进行排胶和烧结，得到所述ta、al共掺杂srtio3基巨介电陶瓷材料；所述烧结在氮气气氛中进行。

12、优选的，所述一次球磨和二次球磨的条件独立地包括：球磨转速为250～350rpm，球磨时间为5～7h，球磨介质为去离子水。

13、优选的，所述煅烧的温度为1150～1250℃，保温时间为3～5h；升温至所述煅烧温度的升温速率为4～6℃/min；所述煅烧的气氛为空气。

14、优选的，所述粘结剂为聚乙烯醇溶液，所述聚乙烯醇溶液的质量浓度为3～5％；所述粘结剂的用量为所述煅烧粉质量的1～2％；所述水的用量为所述煅烧粉质量的0.5～1％。

15、优选的，所述干压成型的压力为13～17mpa；所述陶瓷坯体的直径为8～12mm，厚度为1～2mm。

16、优选的，所述排胶的温度为550～650℃，保温时间为1.5～2.5h。

17、优选的，所述烧结的温度大于1500℃小于等于1550℃，保温时间为5～7h，所述氮气的气流量为60～100ml/min。

18、优选的，升温至所述烧结的温度的程序为：先以4～6℃/min的速率升温至1200℃，再以2～4℃/min的速率升温至1400℃，之后以1～3℃/min的速率升温至1500℃，最后以0.5～1.5℃/min的速率升温至烧结的温度。

19、本发明提供了一种ta、al共掺杂srtio3基巨介电陶瓷材料，化学式如式i所示(见上文)。本发明利用ta、al共掺杂srtio3产生的氧空位以及自由电子(e′)，陶瓷内部的ti4+得到一个电子被还原成ti3+，这些缺陷偶极子更倾向于形成稳定的缺陷簇(例如：)缺陷簇的存在会钉扎自由移动的电子，从而提升极化率来达到巨介电效应。本发明提供的ta、al共掺杂srtio3基巨介电陶瓷材料介电常数在105量级，且介电常数的频率、温度稳定性良好，能够满足电子元器件小型化和储能器件对电介质材料的需求。

20、本发明还提供了上述方案所述ta、al共掺杂srtio3基巨介电陶瓷材料的制备方法，首先按照式i中的化学计量比，将srco3、tio2、ta2o5和al2o3进行一次球磨，将所得的一次球磨料干燥后煅烧，得到煅烧粉；将所述的煅烧粉进行二次球磨后依次进行过筛和干燥，得到二次球磨料；将所述的二次球磨料、粘结剂和水混合后依次进行陈腐、造粒和干压成型，得到陶瓷坯体；将所述陶瓷坯体依次进行排胶和烧结，得到ta、al共掺杂srtio3基巨介电陶瓷材料；所述烧结在氮气气氛中进行。本发明在制备ta、al共掺杂srtio3基巨介电陶瓷材料时，无需采用氢气气氛，仅在氮气条件下烧结即可，安全性好；并且，本发明中掺杂剂ta2o5和al2o3的用量较少，能进一步降低生产成本；而且本发明提供的制备方法步骤简单，重复性好，成品率高，成本较低，便于商业化生产。

21、实施例结果表明，当x＝4％时，在室温、1khz的测试频率下，所得ta、al共掺杂srtio3基巨介电陶瓷材料的介电常数为～125000，介电损耗为～0.05，且介电性能的频率、温度稳定性良好。