[发明专利]一种钛酸铋钠基高储能密度复相陶瓷及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及介电储能陶瓷材料，具体是一种高储能密度复相介电陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

高储能密度储能电容器广泛应用于现代电子能源系统，如混合动力汽车、新能源电力系统、微型电子设备领域。陶瓷电介质具有介电常数高、老化速度慢、机械强度高、损耗低、介电可调且温度适应性好和可以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较低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。

陶瓷电介质击穿强度较低主要来源于陶瓷致密性及内部的孔洞，在施加高场是成为薄弱环节容易击穿。无气孔的玻璃能够消除电场局域集中，击穿强度大幅提高。因此，在陶瓷基体中添加适量的玻璃相，可以优化微观结构，减小气孔率、气孔尺寸、晶粒尺寸，得到均一致密的晶粒结构，最大限度的提高击穿强度。同时可以改善介电常数温度稳定性、介电损耗、饱和极化、剩余极化等相关性能，优化储能特性。目前在铅基陶瓷与钛酸钡基陶瓷中添加玻璃相的报导较多，也获得较好的储能特性。

迄今为止，在非化学计量钛酸铋钠基反铁电陶瓷中添加玻璃组成制备复相陶瓷材料，以获得优良的储能性能还未见报道。

发明内容

本发明目的是要提供一种具有高耐压、高储能密度与储能效率的绿色环保复相陶瓷材料及其制备方法。这种复相陶瓷材料具有优异的储能密度及储能效率，储能密度可达1.86 J/cm³，储能效率可达80%，耐压好、损耗低、实用性好。

实现本发明目的的技术方案是：

一种高耐压、高储能密度与储能效率的复相陶瓷介电材料，其配方为：

 (1-x)(Bi_0.49Na_0.42)Ba_0.06TiO₃-x(35BaO-15ZnO-10Al₂O₃-20B₂O₃-20SiO₂)

其中x表示摩尔分数，0.01≤x≤0.5。

本发明高储能密度与储能效率的复相陶瓷介电材料的制备方法，包括如下步骤：

(1) 将原料按照化学式35BaO-15ZnO-10Al₂O₃-20B₂O₃-20SiO₂进行配料，以无水乙醇为介质球磨24小时，干燥后于1150°C保温2小时形成熔融玻璃液，然后快速将熔料倒入载有纯净水的托盘中，过滤磨细过300目筛，获得玻璃粉末。

(2) 将原料按照化学式(Bi_0.49Na_0.42)Ba_0.06TiO₃ 进行配料，以无水乙醇为介质球磨12小时，干燥后于860°C预烧2小时合成粉末。

(3)将步骤(1)与(2)的预烧粉末按照化学式(1-x)(Bi_0.49Na_0.42)Ba_0.06 TiO₃-x(35BaO-15ZnO-10Al₂O₃-20B₂O₃-20SiO₂)配料，其中x表示摩尔分数，0.01≤x≤0.5，以无水乙醇为介质高能球磨12小时，干燥后获得粉末；

(4) 将步骤(3)获得的粉末加入3%(重量百分比)浓度的PVA溶液造粒，压制成型圆片，然后在600°C保温2小时排除PVA。

(5) 将步骤(4)获得成型圆片采用两歩烧结法，第一步升温到烧结温度1050-1120°C，不保温，第二步快速降温到900-1050°C，保温时间6小时；

(6) 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。