一种高储能密度陶瓷材料及制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电子陶瓷领域，涉及一种高储能密度陶瓷材料及制备方法。
【背景技术】
[0002] 随着电子信息技术的快速发展，人们对设备的使用要求越来越高，为了达到更高 的使用性能，微型化、小型化以及集成化是电子元器件的发展趋势。电容器作为一种重要的 储能器件，是电子设备中大量使用的电子元器件之一。而陶瓷电容器具有使用温度范围宽、 寿命长、性能可靠等优点而被广泛使用。其中铁电陶瓷材料具有介电常数大，非线性效应强 等优点，单位体积铁电陶瓷材料的储能密度J可由下式计算：
[0003]
[0004]χντ，~乃彳:^丨七跑/叉取人但^为外加电场强度。
[0005] 铁电陶瓷材料的储能原理见图1，其中图1(a)为其放电过程，图1(b)为其充电过 程。图1(b)中的阴影面积为铁电陶瓷材料在充电过程中所存储的能量，而图1(a)中的阴影 面积为其在放电过程中释放的能量，释放的能量与存储的能量之比为储能效率(η)。从图1 (a)中可以看到想要提高铁电陶瓷材料的储能密度，就要降低Pr(剩余极化强度），提高Pm(最 大极化强度），同时提高铁电陶瓷的击穿强度。
[0006] 目前广泛研究的BaQ.4SrQ.6Ti03储能陶瓷材料的储能密度只有0.3J/cm3,通过离子 或化合物掺杂，或者采用放电等离子烧结等先进的制备工艺可以提高其储能密度，但是采 用这些方法制备储能陶瓷材料的成本较高，且提高程度有限。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是提供一种高储能密度陶瓷材料及制备方法，该方法制得的陶瓷材 料储能密度高达0.66J/cm3〇
[0008] 为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
[0009] 一种高储能密度陶瓷材料的制备方法，将BCTZ陶瓷粉体和NBT陶瓷粉体按照化学 式（l-x)NBT-xBCTZ配料，混合均匀后经造粒、成型后，在1150-1200°C下保温2-4h烧结成瓷， 得到高储能密度陶瓷材料;其中，X取值范围为〇. 45-0.55。
[0010] 所述混合均匀是通过球磨实现的。
[0011] 所述球磨是以去离子水作为球磨介质。
[0012] 所述球磨的时间为6_8h。
[0013] 混合均匀后在70°C_90°C下烘干。
[0014] 所述BCTZ陶瓷粉体通过以下方法制得:按照化学式Bao.ssCao.^Zro.mo.gOXBCTZ) 在，将碳酸钡、碳酸钙、二氧化钛和氧化锆混合均匀后在1270°C下保温2h合成BCTZ陶瓷粉 体。
[0015] 所述NBT陶瓷粉体通过以下方法制得:按照化学式Na〇.5Bi0.5Ti03(NBT)，将碳酸钠、 氧化铋和二氧化钛混合均匀后在840°C下保温4h合成NBT陶瓷粉体。
[0016] 一种高储能密度陶瓷材料，化学式为（1-X)NBT-xBCTZ，其中，X取值范围为0.45-0.55〇
[0017] 与现有技术相比，由于NaQ.5Bio.5Ti03(NBT)是一种典型的弛豫铁电体具有极化强 度高、击穿强度大等优点，而Bao.ssCao^Zro.iTio.gOXBCTZ)是一种典型的正常铁电体，具有 优异的铁电性能。本发明的配方为（l-x)NBT-xBCTZ，通过调整化学组成从而获得一种新体 系的弛豫铁电体，可以有效降低Pr，同时保证此系统具有相对较高的Pm，从而提高其储能密 度。本发明采用传统固相法制备的（1 -X)NBT-xBCTZ，弛豫铁电陶瓷材料的储能密度高达 0.66J/cm3，远高于Bao. 4Sr〇.6Ti03陶瓷材料的储能密度。本发明的制备方法设备简单、操作简 单、成本低、可大规模生产，为大规模、低成本制备高储能密度陶瓷材料提供了基础。
【附图说明】
[0018] 图1是铁电陶瓷材料的储能原理图，其中图1(a)为其放电过程，图1(b)为其充电过 程。
[0019] 图2是0.45NBT-0.55BCTZ陶瓷材料的电滞回线图。
[0020] 图3是0.5NBT-0.5BCTZ陶瓷材料的电滞回线图。
【具体实施方式】
[0021]下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
[0022] 一种高储能密度陶瓷材料，其特征在于，化学式为（l-x)NBT-xBCTZ，其中，X取值范 围为0.45-0.55。
[0023] 实施例1
[0024] 一种高储能密度陶瓷材料的制备方法，按照化学式Bao.ssCao.isZro.iTio. 9〇3 (BCTZ)，将碳酸钡、碳酸钙、二氧化钛和氧化锆混合均匀后在1270°C下保温2h合成BCTZ陶瓷 粉体，按照化学式似〇.出丨〇.51103(他1')，将碳酸钠、氧化铋和二氧化钛混合均匀后在840°(3下 保温4h合成NBT陶瓷粉体。将BCTZ和NBT陶瓷粉体按照化学式0.45NBT-0.55BCTZ配料，用去 离子水作为球磨介质球磨6h混合均匀，然后在80°C下烘干，经造粒、成型后，在1170°C下保 温2h烧结成瓷，高储能密度陶瓷材料。
[0025] 实施例2
[0026] 一种高储能密度陶瓷材料的制备方法，按照化学式Bao.ssCao.isZro.iTio. 9〇3 (BCTZ)，将碳酸钡、碳酸钙、二氧化钛和氧化锆混合均匀后在1270°C下保温2h合成BCTZ陶瓷 粉体，按照化学式似〇.出丨〇.51103(他1')，将碳酸钠、氧化铋和二氧化钛混合均匀后在840°(3下 保温4h合成NBT陶瓷粉体。将BCTZ和NBT陶瓷粉体按照化学式0.5NBT-0.5BCTZ配料，用去离 子水作为球磨介质球磨6h混合均匀，然后在80°C下烘干，经造粒、成型后，在1180°C下保温 2h烧结成瓷，高储能密度陶瓷材料。
[0027]参见图2,为实施例1中制备的陶瓷样品的电滞回线图，从图中可以看到该样品的 储能密度可达〇.46J/cm3,储能效率可达78.96%。图3为实施例2中制备的陶瓷样品的电滞 回线，从图中可以看出该样品的储能密度高达〇.66J/cm3,储能效率高达83.17%。这是由于 将BCTZ加入到NBT中，破坏了NBT原有的对称性，使得多种铁电相和非铁电相同时在（1-x) NBT-xBCTZ存在，在较低的外加电场作用下只有部分铁电相对宏观的极化强度有贡献，所以 该铁电陶瓷材料的Pr较低，随着外加电场强度的增加所有的铁电相都对宏观极化强度有贡 献。当外加电场达到最大值时，材料中所有的铁电相取向一致，此外材料中的部分非铁电相 在较高电场的作用下转变成铁电相，从而保证该体系具有相对较高的最大极化强度，因此 该体系具有高的储能密度。
[0028] 实施例3
[0029] 一种高储能密度陶瓷材料的制备方法，按照化学式Bao.ssCao.isZro.iTio. 9〇3 (BCTZ)，将碳酸钡、碳酸钙、二氧化钛和氧化锆混合均匀后在1270°C下保温2h合成BCTZ陶瓷 粉体，按照化学式似〇.出丨〇.51103(他1')，将碳酸钠、氧化铋和二氧化钛混合均匀后在840°(3下 保温4h合成NBT陶瓷粉体。将BCTZ和NBT陶瓷粉体按照化学式0.55NBT-0.45BCTZ配料，用去 离子水作为球磨介质球磨7h混合均匀，然后在70°C下烘干，经造粒、成型后，在1150°C下保 温4h烧结成瓷，高储能密度陶瓷材料。
[0030] 实施例4
[0031] 一种高储能密度陶瓷材料的制备方法，按照化学式Bao.ssCao.isZro.iTio. 9〇3 (BCTZ)，将碳酸钡、碳酸钙、二氧化钛和氧化锆混合均匀后在1270°C下保温2h合成BCTZ陶瓷 粉体，按照化学式似〇.出丨〇.51103(他1')，将碳酸钠、氧化铋和二氧化钛混合均匀后在840°(3下 保温4h合成NBT陶瓷粉体。将BCTZ和NBT陶瓷粉体按照化学式0.45NBT-0.55BCTZ配料，用去 离子水作为球磨介质球磨8h混合均匀，然后在90°C下烘干，经造粒、成型后，在1160°C下保 温3h烧结成瓷，高储能密度陶瓷材料。
[0032]本发明按照化学式（l-x)NBT-xBCTZ经配料、球磨，干燥，造粒、成型、烧结等工艺制 备（l-x)NBT-xBCTZ陶瓷材料。采用固相法制备陶瓷材料具有成本低、产量大以及制备工艺 简单等优点。本发明的制备工艺简单，操作简单、成本低，为大规模、低成本制备新型高储能 密度陶瓷材料提供了基础。
【主权项】
1. 一种高储能密度陶瓷材料的制备方法，其特征在于，将BCTZ陶瓷粉体和NBT陶瓷粉体 按照化学式（l-x)NBT-xBCTZ配料，混合均匀后经造粒、成型后，在1150-1200°C下保温2-4h 烧结成瓷，得到高储能密度陶瓷材料;其中，X取值范围为〇. 45-0.55。2. 根据权利要求1所述的一种高储能密度陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述混合 均匀是通过球磨实现的。3. 根据权利要求2所述的一种高储能密度陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述球磨 是以去离子水作为球磨介质。4. 根据权利要求2或3所述的一种高储能密度陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述 球磨的时间为6-8h。5. 根据权利要求3所述的一种高储能密度陶瓷材料的制备方法，其特征在于，混合均匀 后在70°C_90°C下烘干。6. 根据权利要求1所述的一种高储能密度陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述BCTZ 陶瓷粉体通过以下方法制得:按照化学式Bao. 85Cao. 15Zr〇.iTio. 903 (BCTZ)在，将碳酸钡、碳酸 钙、二氧化钛和氧化锆混合均匀后在1270°C下保温2h合成BCTZ陶瓷粉体。7. 根据权利要求1所述的一种高储能密度陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述NBT 陶瓷粉体通过以下方法制得:按照化学式NaQ.5BiQ.5Ti03(NBT)，将碳酸钠、氧化铋和二氧化 钛混合均匀后在840°C下保温4h合成NBT陶瓷粉体。8. -种高储能密度陶瓷材料，其特征在于，化学式为（l-x)NBT-xBCTZ，其中，X取值范围 为0.45-0.55。
【专利摘要】一种高储能密度陶瓷材料及制备方法，将BCTZ陶瓷粉体和NBT陶瓷粉体按照化学式(1-x)NBT-xBCTZ配料，混合均匀后经造粒、成型后，在1150-1200℃下保温2-4h烧结成瓷，得到高储能密度陶瓷材料；其中，x取值范围为0.45-0.55。本发明采用传统固相法制备的(1-x)NBT-xBCTZ，弛豫铁电陶瓷材料的储能密度高达0.66J/cm3，远高于Ba0.4Sr0.6TiO3陶瓷材料的储能密度。本发明的制备方法设备简单、操作简单、成本低、可大规模生产，为大规模、低成本制备高储能密度陶瓷材料提供了基础。
【IPC分类】C04B35/626, C04B35/49
【公开号】CN105439560
【申请号】CN201510874422
【发明人】蒲永平, 姚谋腾
【申请人】陕西科技大学
【公开日】2016年3月30日
【申请日】2015年12月2日