[发明专利]一种低温烧结的高储能密度反铁电陶瓷材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于功能陶瓷材料技术领域，具体涉及一种用于储能电容器的可低温烧结的高储能密度反铁电陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

脉冲功率技术，是指把较小功率的能量以较长时间缓慢输入到储能设备中，然后在极短的时间内以极高的功率密度向负载释放的电物理技术(Science，313：334-336,2006)，在高新技术、民用等领域得到广泛的应用。脉冲功率的基本系统由两部分组成：一部分是低功率水平的能量存储系统；另一部分是高功率脉冲的产生和有效传输到负载。能量存储系统是脉冲功率装置中的重要组成部分，当前主要通过电容、电感、机械能、化学能等形式提供初始能源。其中，电容器储能能量释放速度快、输出功率大、组合灵活、技术成熟、价格低廉，成为目前应用最为广泛的储能器件。

作为脉冲功率装置的重要储能元件，电容器在脉冲功率装置中占很大比重，研制储能密度高、放电电流大、放电速度快、以及充放电寿命较长(～10³次)的脉冲电容器(Journal of the American Ceramic Society 73,323-328(1990)；Applied physics letters 72,593-595(1998).)已成为当前脉冲功率技术领域研究的重点和迫切任务。

用作脉冲电容器的介质材料主要有线性陶瓷、铁电陶瓷和反铁电陶瓷三类。线性陶瓷介电常数几乎不随电场变化，具有低场下线性可逆、可重复多次充放电等优点，但其储能密度在安全电场范围内只有0.1J/cm³数量级。铁电陶瓷具有自发极化，在无外加电场时具有很高的介电常数，而在电场作用下，铁电陶瓷介电常数随电场增加而降低，并且其击穿场强通常不高，导致陶瓷在高场下储能密度并不大，一般不超过1J/cm³。反铁电陶瓷的重要特征是具有双电滞回线，在外电场较低时反铁电陶瓷与线性陶瓷一样，极化强度(P)与电场(E)呈线性关系，当电场升高到一定值后，反铁电晶胞内部与电场方向相反的部分偶极子在电场作用下开始发生反转，发生反铁电-铁电相变(AFE-FE)，材料的极化强度突然增大，介电常数(ε_r)达到峰值，此时陶瓷处于充电状态，所存储的能量密度(W_st)为正向电滞回线对极化强度的积分。由于介电常数在一定电场下随电场增大而增大，反铁电陶瓷的理论储能密度较大(W_re～J/cm³数量级)，成为脉冲电容器应用中十分重要的候选材料。

在反铁电陶瓷中，PLZST反铁电陶瓷具有放电首峰值超过1kA，在一百纳秒内释放超过80％以上的电荷，经受2000次以上的充放电次数无明显性能衰退等优点(Journal of Applied Physics 106,034105,(2009)；Journal of the American Ceramic Society 93,4015-4017,(2010))而将PLZST反铁电陶瓷进一步做成多层电容器(MLCC)，不但有利于电容器的小型化，而且可以放出更大的电流。

在制备多层陶瓷电容器时，陶瓷与内电极的共烧这一工艺尤为关键。一般来讲，为了降低多层陶瓷电容器的制作成本，在选择内电极时,我们希望可以采用导电性良好的Ag浆或者Ag含量高的Ag/Pd浆(Ag含量的高低根据陶瓷与电极的共烧温度而定)。Ag的熔点为960℃，而PLZST陶瓷的烧结温度在1300℃左右。因此，为了实现PLZST反铁电陶瓷与Ag或者Ag/Pd内电极的低温共烧(LTCC)，研究反铁电陶瓷材料本身的低温烧结(～950℃)，并使其保持优良的储能特性，变得尤为关键。