[发明专利]反铁电储能陶瓷材料及陶瓷元件和制备方法

说明书

技术领域

本发明属于储能陶瓷领域，具体涉及一种反铁电储能陶瓷材料及陶瓷元件和制备方法。 

背景技术

作为脉冲功率技术设备主体部分的高功率脉冲电源，为脉冲功率装置的负载提供电磁能量，脉冲功率源主要由初级能源、能量储存系统、能量转换和释放系统组成。目前，主要有机械能储能、电容器储能、电化学储能等三种方式用于脉冲功率技术的能量储存。相对于其它储能器件，电容器储能因具有储能密度高、能量释放速度快、可靠性高、安全性高、价格低廉以及较易实现轻量化和小型化等优点，成为目前高功率脉冲电源中应用最广的储能器件之一。 

作为储能电容器用的介质材料，其储能密度是决定其能否获得应用的关键因素。根据介质材料极化强度随外场的变化规律不同，可以将储能材料分为三大类：线性介质、铁电介质以及反铁电介质。线性介质材料的电位移随外场线性增加，其介电常数保持不变，包括Ba_1-xSr_xTiO₃陶瓷、Al₂O₃陶瓷、聚合物和金刚石等；铁电介质材料的特征是存在电滞回线，其介电常数随电场增加逐渐降低，主要包括PZT(PbZr_xTi_1-xO₃)、PMN(Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃)、PMN-PT(Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃)等材料；反铁电介质材料存在双电滞回线，在一定电场下其介电常数随电场增加而增加并在反铁电-铁电(AFE-FE)相变时有突变（存在正向转折电场E_AFE-FE和反向转折电场E_FE-AFE），主要包括PZST（Pb(Zr,Sn,Ti)O₃）、PLZT（(Pb,La)(Zr,Ti)O₃）、PLT（(Pb,La)TiO₃）基陶瓷及薄膜等。一般情况下反铁电材料的储能密度较高，成为储能电容器应用中十分重要的候选材料。 

然而，目前作为储能介质用的反铁电材料一般都为含Pb材料，这对于环境保护和人类健康是不利的。关于材料-资源-环境的友好协调性是包括 材料研究人员和社会各界极大关注的热点问题。2002年以来，欧盟、美国和日本都制定了严格的环保法律（WEEE/RoHS），对于包括Pb在内的六种有毒有害物质在电子电器产品中限制使用或禁止使用。我国信息产业部也相继于2006年2月颁布了《电子信息产品污染防治管理办法》，于2007年3月1日起开始实施。为了保护环境和人类健康，保证可持续发展战略的实施，十多年来，国际和国内在无铅电子产品和材料的研究和开发方面已经做了大量的工作。作为电子产品和材料中非常重要的一员，环境友好型的储能介质材料及其器件的研究与开发是一项紧迫而有意义的课题。同时，由于反铁电陶瓷高储能密度的独特优势，使其非常适合于作为储能电容器用介质材料。因此，开发并研制无铅反铁电储能电介质材料具有重要意义。