[发明专利]一种具有高储能密度和储能效率的陶瓷材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及电介质储能陶瓷材料技术领域，更具体的涉及一种具有高储能密度和储能效率的陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

脉冲功率技术是20世纪60年代发展起来的一个多学科交叉融合的新兴技术领域，具有高电压、大电流、强脉冲等众多优点。我国从20世纪70年代中期开始研究脉冲功率技术在国防领域中的应用，包括加速器、粒子束、电磁发射等，目前这一技术已成为我国国防高技术研究领域的支撑技术之一。脉冲功率系统一般包括：初级能源、中间储能和脉冲形成系统、开关转换系统、测量系统和负载。中间储能系统是脉冲功率系统非常关键的部分，其储存能量越大，放电速度越快，形成的脉冲功率也越大。目前在如强激光、离子束武器、大功率微波等设备中应用最为广泛的储能装置为电容器储能，因为电容器具有可以快速充电、放电率低、工作温度范围广、功率大，脉宽小，较易实现轻量化和小型化等特点。

随着脉冲技术的发展，提高电容器的储能密度和高温稳定性是两个关键问题。一方面，提高储能密度能实现器件的小型化，另一方面，在地质勘探，石油钻井等应用中，器件常常是在高温下运作，所以储能性能要稳定，不能随温度升高而恶化。

电容器的介质材料是其性能的最直接的影响因素。现目前对使用最广的固态介质材料的研究主要集中在电解质、聚合物、聚合物一陶瓷复合体、陶瓷四大类。陶瓷介质材料因为其具有高储能密度，机械强度高，耐高温等特点，使得其制备的脉冲器件功率大脉宽小，稳定性强，从而成为了脉冲技术储能介质材料的重点研究对象。目前，无铅储能陶瓷材料主要集中在SrTiO₃体系、BaTiO₃体系、Ba1-xSrxTiO₃体系、CaTiO₃体系和(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃体系等陶瓷材料上，但是，这些材料的储能密度较低，温度稳定性较差，从而限制了这些材料的实际使用。

发明内容

本发明提供一种具有高储能密度和高储能效率的陶瓷材料，通过添加Bi(Mg_0.5Ti_0.5)O₃使(K_0.5Na_0.5)NbO₃陶瓷的晶粒减小，调控陶瓷相转变温度区间，从而提高了陶瓷的耐电击穿强度，提高了储能密度和储能效率与温度稳定性。

具体的，具有高储能密度和储能效率的陶瓷材料，其化学式为(1-x)(K_0.5Na_0.5)NbO₃-xBi(Mg_0.5Ti_0.5)O₃，其中0≤x≤0.2。

一种具有高储能密度和储能效率的陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：

配料：将分析纯的无水碳酸钾、无水碳酸钠、五氧化二铌、氧化镁、二氧化钛和三氧化二铋在180-250℃下烘干8-10h后，按化学式(1-x)(K_0.5Na_0.5)NbO₃-xBi(Mg_0.5Ti_0.5)O₃，其中0≤x≤0.2，中的化学计量比称取上述各原料后混合，得混合物；

制备干粉：将得到的混合物在乙醇中以ZrO₂球为媒介进行球磨36-48h，烘干后得到混合物干粉；

预压：得到的混合物干粉在150-350Mpa下预压成紧密的粉体；

预烧：将得到的预压紧密的粉体在850-950℃空气中预烧2-10h，研磨过筛，得到一次预烧混合物粉料；

再次预烧：将得到的一次预烧混合物粉料在850-950℃空气中再次预烧2-6h，研磨过筛，得到二次预烧混合物粉料；

再次球磨：将二次预烧混合物粉料在乙醇中以ZrO₂球为媒介进行球磨36-48h；

造粒：将再次球磨后的二次预烧混合物粉料进行烘干，并加入聚乙烯醇溶液进行造粒，其中，二次预烧混合物粉料与聚乙烯醇溶液的质量比为1:0.05-0.12；

成型：将造粒后的粉料在150-350Mpa下干压成型，得到成型素坯；

排胶：将成型素坯置于中温炉中以2-4℃/min的升温速率升温至550-700℃，保温4-8h后，随炉自然冷却；