一种无铅反铁电高储能密度陶瓷材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及介电储能陶瓷材料，具体是一种无铅反铁电高储能密度陶瓷材料及其 制备方法。
【背景技术】
[0002] 随着发展中国家经济增长加速，人类对能源需求日益增长，因此新能源的开发与 存储成为今年来研究的一个热点。电介质电容器具有轻便、高效、环境友好、比功率高等特 性，在电力电子系统中已经得到了广泛的应用。高储能密度、高储能效率及快速存放电材 料是高功率密度大容量电容器的基础。多种电介质材料已经被研究应用于高密度能量储 存，按其铁电性能的不同一般分为铁电材料、反铁电材料和线性电介质材料。与铁电和线性 介电材料相比，反铁电材料在电场作用下发生反铁电-铁电相变时总是伴随着巨大的能 量存储与释放，有望在高功率大容量高压电容器中广泛应用。因此，反铁电材料是一种极具 应用前景的未来高储能密度介电材料。
[0003] 室温反铁电陶瓷常见报道的是PbZrOjg基材料，或者高温态无铅Bia5Naa51103基 陶瓷材料。目前，室温无铅反铁电高储能密度陶瓷材料及其制备方法还鲜 见报道。
[0004] 本发明通过调控扮(|.#8(|.5110 3-8&1103基陶瓷材料的化学组成，结合制备方法调 控梯度微观结构，即多层芯壳结构，铁电相-非遍历弛豫铁电相-遍历弛豫铁电相-顺 电相梯度共存，利用高场下铁电相带动非遍历弛豫铁电相+遍历弛豫铁电相+顺电相梯 度项铁电转变，实现了无铅陶瓷材料室温反铁电态高储能密度、又高耐压高储能效率，这 类反铁电陶瓷性能优良，制备技术简单。目前还未见室温反铁电高储能密度高压无铅 BiuNauTiC^-BaTiO^陶瓷介质材料及类似的制备方法的报道。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是要提供室温高压反铁电高储能密度高压无铅陶瓷介质及其制备 方法，这种室温反铁电陶瓷具有优异的储能密度及放电效率，储能密度可达1. 8J/cm3,储能 效率可达55%，环境友好、损耗低、实用性好。
[0006] 实现本发明目的的技术方案是： 一种室温高压反铁电高储能密度无铅陶瓷介质材料，其配方为： (Bi_rNa,)AgzTi0.98_/)3-M5aTi03-〇. 02SrZr03+/?(0. 5Mn02_0. 3La203_0. 2Nb205) 其中z、_7、z、》、/?表示摩尔分数，z=0. 48 或 0? 49 ;尸(0? 46-z), (0? 44-z), (0? 46-z), (0? 42-z) _7分别取值：z/尸0? 48八0. 46-z), 0. 48/ (0. 44-^), 0. 49/ (0.46~z), 0. 49/ (0. 44-z), 0. 49/ (0.42~z)；0. 005 ^ ^ 0. 01 ；0. 04 ^ 0. 09 ；0. 001 ^ 0. 02 本发明高压反铁电高储能密度无铅陶瓷介质的制备方法，包括如下步骤： (1)将电子级原料Bi203、Na2C03、SrC03、Ag20、ZrOjPTiO2按照化学式： (BiJa^AgJiQuOfO.C^SrZrC^ 进行配料， 其中z、_7、z、示摩尔分数，z=0. 48 或 0? 49 ;尸(0? 46-z), (0? 44-z), (0? 46-z), (0? 42-z) ;x% _7分别取值：z/尸 0? 48八0. 46-z), 0. 48/ (0. 44-^), 0. 49/ (0.46~z), 0. 49/ (0. 44-z), 0. 49/(0.42~z)；0. 005 ^ ^ 0. 01 ；0. 04 ^ 0. 09. 以无水乙醇为介质球磨24小时，干燥后在坩埚中以900°C保温2小时合成化合物 (BiJajAgJiQuOfO. 02SrZr03粉末； (2)将（BiJajAgJia^OfO. 02SrZr03粉末和纳米单晶颗粒BaTiO3粉体以及MnO2、La203、Nb205粉末按照化学式： (BixNa,)AgJiQ.98_/) 3-flfiaTi03-0. 02SrZr03+/?(0. 5Mn02-0. 3La203-0. 2Nb205)进行配料， 其中1、_7、2、》、/?表示摩尔分数，^=0.48,0.49;尸(0.46-^),(0.44-^),(0.46-^), (0? 42-z) ;x% _7分别取值：z/尸0? 48八0. 46-z), 0. 48/ (0. 44-^), 0. 49/ (0.46-z),0. 49/ (0. 44-z), 0. 49/(0.42~z)；0. 005 ^ ^ 0. 01；0. 04 ^ 0. 09； 0. 001 彡 /?彡 0. 02。
[0007] (3)以无水乙醇为介质二次球磨6小时，置于红外线下干燥后加入5%(重量百分 比）浓度的PVA溶液造粒，压制成型圆片。
[0008] (4)成型后的圆片在空气中烧结，第一步烧结温度1150-1200°C，保温时间5分 钟，第二步降温到1120°C，保温时间12小时； (5)样品加工成两面光滑、厚度约0. 3mm的薄片，披银电极，然后测试储能特性与电性 能。
[0009] 本发明通过成分调节，在原料中采用纳米单晶BaTiOjg粒粉体，结合两歩烧结，控 梯度微观结构，获得多层芯壳结构，利用高场下铁电相带动非遍历弛豫铁电相+遍历弛豫 铁电相+顺电相梯度向铁电转变，实现了无铅陶瓷材料室温反铁电态高储能密度、又高耐 压高储能效率。本发明制备工艺简单、稳定，适合工业推广应用。本发明的陶瓷组成是一种 绿色环保型陶瓷，储能密度可达1. 8J/cm3,储能效率可达55%，损耗低。
【附图说明】
[0010] 图1为本发明陶瓷材料的电滞回线。
【具体实施方式】
[0011] 实施例1 : 制备成分为：（BixNa,)AgzTia98_w03-M5aTi03-0. 02SrZr03+/?(0. 5Mn02_0. 3La203_0. 2Nb205) 的高压反铁电高储能密度无铅陶瓷介质，其中_7、表示摩尔分数，其中f〇. 48 ; 7=0. 455；z=0.005 ； ^=0. 05；n=0. 001 制备方法包括如下步骤： ⑴将电子级原料Bi203、Na2C03、SrC03、Ag20、ZrO#PTiO2按照化学式： (BiJa^AgJiQuOfO.C^SrZrC^ 进行配料， 其中z、_7、z、不摩尔分数，z=0. 48 ;/=0? 455 ;z=0. 005 ;?=0? 05. 以无水乙醇为介质球磨24小时，干燥后在坩埚中以900°C保温2小时合成化合物 (BiJajAgJiQuOfO. 02SrZr03粉末； (2)将合成的（BiJa^AgJLnOfO. 02SrZr03粉末和纳米单晶颗粒BaTiO3粉体以及 Mn02、La203、Nb205粉末按照化学式： (BixNa,)AgJiQ.98_/)3-flfiaTi03-0. 02SrZr03+/?(0. 5Mn02-0. 3La203-0. 2Nb205)进行配料， 其中z、_7、z、》、/?表不摩尔分数，其中z=0. 48 ;j=0. 455 ;z=0. 005 ;?=0? 05 ;/? =0? 001。
[0012] (3)以无水乙醇为介质二次球磨6小时，置于红外线下干燥后加入5%(重量百分 比）浓度的PVA溶液造粒，压制成型圆片。
[0013] 4.成型后的圆片在空气中烧结，第一步烧结温度1180°C，保温时间5分钟，然后 第二步降温到1120°C，保温时间12小时； 5.样品加工成两面光滑、厚度约0. 3mm的薄片，披银电极，然后测试储能特性与电性 能。
[0014] 性能如表1所示。
[0015] 实施例2: 制备成分为：（BixNa,)AgzTia98_w03-M5aTi03-0. 02SrZr03+/?(0. 5Mn02_0. 3La203_0. 2Nb205) 的高压反铁电高储能密度无铅陶瓷介质，其中_7、表示摩尔分数，其中f〇. 49 ; 7=0. 41 ；z=0.01 ；is=0.09；n=0. 018〇
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