一种介电储能陶瓷及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及介电陶瓷材料，具体是一种介电储能陶瓷及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 高储能密度储能电容器广泛应用于现代电子能源系统，如脉冲功率系统、混合动 力汽车、新能源电力系统、微型电子设备等领域。陶瓷电介质具有介电常数高、介电损耗低、 老化速度慢、机械强度高、介电可调且温度适应性好以及可在复杂环境下使用等优点，是制 备高功率大密度电容器的理想材料，但也存在着介电击穿强度不够高而导致的储能密度较 低的缺点，难以满足新技术进一步发展的需求。
[0003] 陶瓷电介质击穿强度较低主要来源于陶瓷致密度不够高、晶粒较粗及内部的孔 洞，在施加高电场时成为薄弱环节容易击穿。致密均匀的细晶结构能够消除电场局域集中， 从而使击穿强度大幅提高。因此，在陶瓷基体中添加适量的烧结助剂，可以优化微观结构， 降低气孔率、减小气孔尺寸与晶粒尺寸，得到均匀致密的微观结构，最大限度地提高击穿强 度。同时，通过掺杂可以提高介电常数，改善介电常数温度稳定性、介电损耗、剩余极化等相 关性能，优化储能特性。目前在铅基陶瓷、钛酸钡基、钛酸锶基陶瓷中添加玻璃相或掺杂取 代的报导较多，也获得了较好的储能特性。
[0004] 目前，尚未见到以稀土掺杂和添加铌酸锌改善钛酸锶陶瓷的耐压性能、储能密度 和储能效率的报道。
【发明内容】
[0005] 本发明目的是提供一种介电储能陶瓷及其制备方法。这种陶瓷材料具有优异的储 能密度及储能效率，储能密度可达2. 98J/cm3,储能效率可达90%以上，耐压性能高、实用性 好。
[0006] 实现本发明目的的技术方案是：
[0007] -种介电储能陶瓷材料，其配方为：ReQ.Q2Sra97Ti03+x%Mn02+y%ZnNb2O6，其中Re 为La、Nd、Sm或Gd，Mn02、ZnNb206为外加，0? 1彡X彡0? 3，1. 5彡y彡7. 5,x，y均为质量分 数。
[0008] 本发明高储能密度与储能效率的介电储能陶瓷材料的制备方法，包括如下步骤：
[0009] (1)采用分析纯的 SrCO3JiO2和纯度大于99. 9% 的 Re203 (Re = La，Nd，Sm，Gd)为原 料，按照化学式1^。.。231'。.971';[0 3进行配料，以无水乙醇为介质球磨24小时，干燥后于1050<€ 预烧3小时合成粉末；
[0010] ⑵采用分析纯的ZnO和纯度大于99. 5%的Nb2O5为原料，按照化学式ZnNb 206进 行配料，以无水乙醇为介质球磨24小时，干燥后于KKKTC预烧3小时合成粉末；
[0011] ⑶将步骤⑴与⑵的预烧粉末按照化学式Re。.。2Sra97Ti03+x%Mn0 2+y%ZnNb206 配料，其中Re为La、Nd、Sm或Gd，x，y表示质量分数，0? 1彡X彡0? 3，L 5彡y彡7. 5，Mn02 为分析纯，以无水乙醇为介质球磨24小时，干燥后获得粉末；
[0012] (4)将步骤（3)获得的粉末加入3% (重量百分比）浓度的聚乙烯醇（PVA)溶液 造粒，压制成圆片，然后在600°C保温2小时排除PVA ;
[0013] (5)将步骤（4)获得的圆片采用一步烧结，升温到烧结温度1250-1280°C保温3小 时；
[0014] (6)将样品加工成两面平滑、厚度约0. 3mm的薄片，披银电极，然后测试介电性能， 并计算储能密度。
[0015] 本发明通过在钛酸锶中掺杂稀土和添加铌酸锌，采用烧结方法，获得高致密度高 耐压的介电储能陶瓷材料，制备工艺简单、稳定，适合工业化应用。本发明的介电陶瓷储能 性能优良，储能密度可达2. 98J/cm3,储能效率可达90%以上，击穿强度可达535kV/cm，具有 高耐压、高储能密度与高储能效率的优点，在脉冲电源领域有良好的应用前景。
【附图说明】：
[0016] 图1为本发明介电储能陶瓷材料的SEM图。
【具体实施方式】
[0017] 通过下面给出的实施例，可以进一步清楚的了解本发明的内容，但它们不是对本 发明的限定。
[0018] 实施例1 :
[0019] 制备成分为：1^。.。251'。.97!';[03+1%1110 2+7%211他206，其中1，7表示质量分数，叉= 0. 1，y = 1. 5的陶瓷材料。
[0020] 制备方法包括如下步骤：
[0021] (1)采用分析纯的SrC03、TiO2和纯度大于99. 9%的La2O3为原料，按照化学式 1^。.。251'。. 971';[03进行配料，以无水乙醇为介质球磨24小时，干燥后于1050<€预烧3小时合成 粉末；
[0022] (2)采用分析纯的ZnO和纯度大于99. 5%的Nb2O5为原料，按照化学式ZnNb 206进 行配料，以无水乙醇为介质球磨24小时，干燥后于KKKTC预烧3小时合成粉末；
[0023] ⑶将步骤⑴与⑵的预烧粉末按照化学式La。.。2Sra97Ti0 3+x%Mn02+y%ZnNb206 配料，其中x，y表示质量分数，X = 0. l，y = I. 5，Mn02S分析纯，以无水乙醇为介质球磨24 小时，干燥后获得粉末；
[0024] (4)将步骤（3)获得的粉末加入3% (重量百分比）浓度的聚乙烯醇（PVA)溶液 造粒，压制成型圆片，然后在600°C保温2小时排除PVA ;
[0025] (5)将步骤（4)获得成型圆片采用一步烧结法，升温到烧结温度1280°C保温3小 时；
[0026] (6)样品加工成两面平滑、厚度约0. 3mm的薄片，披银电极，然后测试介电性能，并 计算储能密度。性能如表1所示。
[0027] 实施例2 :
[0028] 制备成分为：31%。251'。.971';[03+1%|/[110 2+7%211他206，其中1，7表示质量分数，叉= 0. 3, y = 3. 0的陶瓷材料。
[0029] 制备方法包括如下步骤：
[0030] (1)采用分析纯的SrC03、TiO2和纯度大于99. 9 %的Sm 203为原料，按照化学式 31%。231'。.971';[0 3进行配料，以无水乙醇为介质球磨24小时，干燥后于1050<€预烧3小时合成 粉末；
[0031] ⑵采用分析纯的ZnO和纯度大于99. 5%的Nb2O5为原料，按照化学式ZnNb 206进 行配料，以无水乙醇为介质球磨24小时，干燥后于KKKTC预烧3小时合成粉末；
[0032] (3)将步骤⑴与⑵的预烧粉末按照化学式SmQ. Q2Sra97Ti03+x% Mn02+y%ZnNb2O6 配料，其中x，y表示质量分数，x = 0. 3，y = 3. 0，Mn02S分析纯，以无水乙醇为介质球磨24 小时，干燥后获得粉末；
[0033] (4)将步骤（3)获得的粉末加入3% (重量百分比）浓度的聚乙烯醇（PVA)溶液 造粒，压制成型圆片，然后在600°C保温2小时排除PVA;
[0034] (5)将步骤（4)获得成型圆片采用一步烧结法，升温到烧结温度1280°C保温3小 时；
[0035] (6)样品加工成两面平滑、厚度约0.3mm的薄片，披银电极，然后测试介电性能，并 计算储能密度。性能如表1所示。
[0036] 实施例3 :
[0037] 制备成分为：制。.。251'。.971';[03+1%1110 2+7%211他206，其中1，7表示质量分数，1 = 0. 2, y = 6. 0的陶瓷材料。
[0038] 制备方法包括如下步骤：
[0039] (1)采用分析纯的SrC03、TiO2和纯度大于99. 9%的Nd2O3为原料，按照化学式 制。.。231'。. 971';[03进行配料，以无水乙醇为介质球磨24小时，干燥后于1050<€预烧3小时合成 粉末；
[0040] ⑵采用分析纯的ZnO和纯度大于99. 5%的Nb2O5为原料，按照化学式ZnNb 206进 行配料，以无水乙醇为介质球磨24小时，干燥后于KKKTC预烧3小时合成粉末；
[0041] ⑶将步骤⑴与⑵的预烧粉末按照化学式Nd。.。2Sra97Ti0 3+x%Mn02+y%ZnNb206 配料，其中x，y表示质量分数，X = 0. 2，y = 6. 0，Mn02S分析纯，以无水乙醇为介质球磨24 小时，干燥后获得粉末；
[0042] (4)将步骤（3)获得的粉末加入3% (重量百分比）浓度的聚乙烯醇（PVA)溶液 造粒，压制成型圆片，然后在600°C保温2小时排除PVA;
[0043] (5)将步骤（4)获得成型圆片采用一步烧结法，升温到烧结温度1270°C保温3小 时；
[0044] (6)样品加工成两面平滑、厚度约0. 3mm的薄片，披银电极，然后测试介电性能，并 计算储能密度。性能如表1所示。
[0045] 实施例4:
[0046] 制备成分为：6(1。.。251'。.971';[03+1%|/[110 2+7%211