高铁电稳定性兼具温度稳定性的钛酸铋钠基无铅储能陶瓷材料及其制备方法

本发明属于陶瓷材料，具体涉及一种高铁电稳定性兼具温度稳定性的钛酸铋钠基无铅储能陶瓷材料及其制备方法。

背景技术：

1、近年来，随着科学技术的发展，能源短缺和环境污染问题日渐凸显。伴随着可再生能源的开发和利用，对能量的存储和转化效率也提出了更高的需求，因此人们迫切需要寻找具有高储能密度、储能效率、环境友好及成本低廉的新型储能技术及材料。电介质电容器由于具有高的功率密度、极快的充放电速率和较好的温度稳定性等优点得到了越来越多研究者的关注。然而，其应用领域工作环境的多样化，对其性能参数提出了更严苛的要求，例如电子和电气等系统在恶劣环境下的储能需求日益增加，新型耐高温的电容器材料要求在较宽的温度范围内具有较好的温度稳定性和储能特性、适中的介电常数和低的介电损耗等。钛酸铋钠(bi0.5na0.5tio3)材料因其高的饱和极化强度和较高的居里温度而被认为极具储能潜力。

2、当前，随着新一代无铅电介质储能材料的开发，仍难以同时获得高铁电稳定性、储能特性、温度稳定性和低介电损耗的陶瓷储能材料。因此，如何能够在钛酸铋钠基无铅储能陶瓷材料中实现高铁电稳定性、储能特性和温度稳定性的协同调控，具有重要的研究及应用意义。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于克服现有钛酸铋钠基无铅储能陶瓷材料难以实现高铁电稳定性、储能特性和温度稳定性的协同调控，提供一种高铁电稳定性兼具温度稳定性的钛酸铋钠基无铅储能陶瓷材料，并为该陶瓷材料提供一种工艺简单、成本低廉的制备方法。

2、针对上述目的，本发明提供的钛酸铋钠基无铅储能陶瓷材料的结构式为(1-x)(0.85bi0.5na0.5tio3-0.15nanbo3)-xsrhfo3，其中x的取值为0.04～0.15，优选x的取值为0.10。

3、本发明陶瓷材料为纯的钙钛矿结构，击穿场强为150～260kv/cm，最大极化强度为22～41μc/cm2。

4、上x的取值为0.10时，所述陶瓷材料在100khz下介电常数为εr150℃,100khz＝1065.39、介电损耗tanδ150℃,100khz＝0.01472，在68～371℃的温度范围内，容温变化率满足tcc150℃≤±15％，击穿强度为250kv/cm，最大极化强度为33μc/cm2，有效储能密度为3.05j/cm3，储能效率为75.9％。

5、本发明钛酸铋钠基无铅储能陶瓷材料的制备方法由下述步骤组成：

6、步骤1：按照(1-x)(0.85bi0.5na0.5tio3-0.15nanbo3)-xsrhfo3的化学计量比，分别称取纯度为98.00％以上的tio2、na2co3、bi2o3、hfo2、nb2o5、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60～90℃下干燥20～24小时，得到原料混合物；

7、步骤2：将步骤1的原料混合物在850～950℃预烧2～4小时，经二次球磨、干燥、过筛，得到(1-x)(0.85bi0.5na0.5tio3-0.15nanbo3)-xsrhfo3混合物；

8、步骤3：将步骤2中的(1-x)(0.85bi0.5na0.5tio3-0.15nanbo3)-xsrhfo3混合物压片后，在1100～1210℃恒温烧结2～4小时，随炉自然冷却至室温，制备成钛酸铋钠基无铅储能陶瓷材料。

9、上述步骤2中，优选将步骤1的原料混合物在850～950℃预烧2～4小时后，所得粉体装入尼龙罐中，充分混合球磨20～24小时，在60～90℃下干燥12～24小时，用研钵研磨，过180～200目筛。

10、上述步骤3中，所述压片优选用粉末压片机压制成圆柱状坯体后，在150～200mpa的压力下冷等静压5～7分钟。

11、上述步骤3中，优选将冷等静压后的圆柱状坯体放在氧化锆平板上，采用埋烧方式，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。

12、本发明的有益效果如下：

13、1、本发明通过在0.85bi0.5na0.5tio3-0.15nanbo3体系进行sr2+/hf4+离子掺杂取代，通过破坏长程有序的铁电畴，构建r3c和p4bm相共存，使所得陶瓷材料具有高铁电稳定性、储能特性、温度稳定性和低介电损耗，其中x＝0.10时，具有最高的有效储能密度和储能效率，分别为3.05j/cm3和75.9％，介电击穿场强为260kv/cm，在40～390℃中低温区呈现极低的介电损耗(tan100khz<0.025)，低介电损耗温区拓宽。

14、2、本发明制备方法简单、重复性好、实用性强，为高铁电稳定性、低介电损耗兼具温度稳定性无铅储能陶瓷材料提供具有开发潜力的新材料体系。

技术特征：

1.一种高铁电稳定性兼具温度稳定性的钛酸铋钠基无铅储能陶瓷材料，其特征在于：该陶瓷材料的结构通式为(1-x)(0.85bi0.5na0.5tio3-0.15nanbo3)-xsrhfo3，其中x代表srhfo3占总物质的量的摩尔比，x的取值为0.04～0.15。

2.根据权利要求1所述的高铁电稳定性兼具温度稳定性的钛酸铋钠基无铅储能陶瓷材料，其特征在于：所述陶瓷材料为纯的钙钛矿结构，击穿场强为150～260kv/cm，最大极化强度为22～41μc/cm2。

3.根据权利要求1所述的高铁电稳定性兼具温度稳定性的钛酸铋钠基无铅储能陶瓷材料，其特征在于：x的取值为0.10。

4.根据权利要求3所述的高铁电稳定性兼具温度稳定性的钛酸铋钠基无铅储能陶瓷材料，其特征在于：所述陶瓷材料在100khz下介电常数为εr150℃,100khz＝1065.39、介电损耗tanδ150℃,100khz＝0.01472，在68～371℃的温度范围内，容温变化率满足tcc150℃≤±15％，击穿强度为250kv/cm，最大极化强度为33μc/cm2，有效储能密度为3.05j/cm3，储能效率为75.9％。

5.一种权利要求1所述的高铁电稳定性兼具温度稳定性的钛酸铋钠基无铅储能陶瓷材料的制备方法，其特征在于它由下述步骤组成：

6.根据权利要求5所述的高铁电稳定性兼具温度稳定性的钛酸铋钠基无铅储能陶瓷材料的制备方法，其特征在于：步骤2中，将步骤1的原料混合物在850～950℃预烧2～4小时后，所得粉体装入尼龙罐中，充分混合球磨20～24小时，在60～90℃下干燥12～24小时，用研钵研磨，过180～200目筛。

7.根据权利要求5所述的高铁电稳定性兼具温度稳定性的钛酸铋钠基无铅储能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体，然后在150～200mpa的压力下冷等静压5～7分钟。

8.根据权利要求7所述的高铁电稳定性兼具温度稳定性的钛酸铋钠基无铅储能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体放在氧化锆平板上，采用埋烧方式，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。

技术总结
本发明公开了一种高铁电稳定性兼具温度稳定性的钛酸铋钠基无铅储能陶瓷材料及其制备方法，该陶瓷材料的结构通式为(1‑x)(0.85Bi<subgt;0.5</subgt;Na<subgt;0.5</subgt;TiO<subgt;3</subgt;‑0.15NaNbO<subgt;3</subgt;)‑xSrHfO<subgt;3</subgt;，其中x的取值为0.04～0.15。该陶瓷材料通过配料、球磨、预烧、二次球磨、过筛、压片、烧结制备而成，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的铁电稳定性(循环稳定性和频率稳定性)、良好的温度稳定性和储能特性，其中x＝0.10时，在100kHz下介电常数为ε<subgt;r150℃,100kHz</subgt;＝1065.39、介电损耗tanδ<subgt;150℃,100kHz</subgt;＝0.01472，在68～371℃的温度范围内，容温变化率满足TCC<subgt;150℃</subgt;≤±15％，击穿强度为250kV/cm，最大极化强度为33C/cm<supgt;2</supgt;，效储能密度为3.05J/cm<supgt;3</supgt;，储能效率可达75.9％。

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：2024/1/22