[发明专利]溶胶-凝胶法制备应用于储能的形貌可控CaTiO3

说明书

本发明公开了一种溶胶‑凝胶法制备应用于储能的形貌可控CaTiO₃陶瓷的方法。其制备过程中，将钛酸四丁酯与无水乙醇混合、搅拌，再缓慢滴入浓硝酸，形成钛酸丁酯无水乙醇溶液；另将四水合硝酸钙与无水乙醇的混合溶液滴加到钛酸丁酯无水乙醇溶液中，同时滴加浓硝酸与乙酸调节混合溶液的pH值，向混合溶液中加入PEG‑1000，搅拌混合均匀水浴反应后得到透明凝胶。将凝胶干燥后煅烧。通过改变反应前驱体浓度和煅烧温度调控纳米颗粒的大小。将煅烧制得的纳米粉体研磨、过筛、造粒、压片、排塑、烧结，得到CaTiO₃细晶陶瓷。本发明制备CaTiO₃细晶陶瓷的过程中，不涉及有毒化学试剂，操作流程简单，制备成本低，得到的细晶陶瓷具有高于文献值的储能密度，可广泛应用于储能领域。

技术领域

本发明涉及CaTiO₃储能技术领域，尤其涉及制备形貌可控的纳米粉体进而烧结得到高储能密度CaTiO₃细晶陶瓷的制备方法。

背景技术

合适的介质材料所需的储能特性通常满足如下：大的饱和极化(Ps)，小的残余极化(Pr)和高电击穿场强(BDS)，以达到高能量密度和低能量损失。CaTiO₃是典型的线性电介质材料，能量密度与介电常数和介电强度(E_b)的平方成正比，具有较为优良的介电特性和高介电常数。提高介电强度(E_b)以提高能量存储密度是最有效的。关于通过微观尺度提高介电强度这方面，许多研究人员发现，自20世纪50年代以来，晶粒尺寸影响BaTiO₃基陶瓷的微观结构、相演变和介电性能。有些文献记载了BST 陶瓷的性能对晶粒尺寸以及储能性能有很强的依赖性，并且介电击穿强度的提高被证实与晶粒尺寸的细化有关。晶粒尺寸，四方畸变程度和铁电性之间的相关性强烈地支持固有尺寸效应的存在。因此，优化晶粒结构的形貌和尺寸以提高陶瓷的介电强度是提高储能密度的一种可行方法。

CaTiO₃陶瓷制备方法有很多，最常见的方法是传统固相反应法。如李蔚等人发明的专利(申请号为CN201710123268.8)中，以CaCO₃和TiO₂为原料(摩尔比为1:1)，经湿法球磨(24h)干燥后得到干粉，将干粉置于空气中于1100～1200℃下保温2～5h即可得到CaCO₃陶瓷粉体，然后通过掺入MgO、Al₂O₃、ZrO₂、Ta₂O₅、Nb₂O₅中的一种或几种，湿法球磨与 CaTiO₃粉料混合，经无压烧结得到钛酸钙陶瓷样品。

然而，这种方法得到的CaTiO₃粉末存在着一些问题：如过高的热处理温度、陶瓷晶粒过大、粒径分布不均匀以及杂质的污染。为了尽量解决或减少这些问题，本发明采用溶胶-凝胶法合成CaTiO₃纳米颗粒，能够使烧结而成的陶瓷晶粒较小且均匀，同时能够利用多维的可控影响因素改变实验条件调控CaTiO₃陶瓷晶粒的大小，也可使合成的粉体能够在较低温度下成瓷，降低能耗。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种低能耗、操作流程简单、制备成本低、产品质量良好的方法制备应用于高储能的形貌可控 CaTiO₃细晶陶瓷的方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：该方法以溶胶-凝胶法为基础，以四水合硝酸钙、钛酸四丁酯为原料，以乙醇为溶剂，以乙酸和硝酸的混合溶液作为pH调节剂，以PEG-1000作为分散剂。配制溶液的摩尔比为Ca:Ti＝1:1，且可以通过调节前驱体溶液浓度以及煅烧温度控制所制备CaTiO₃纳米颗粒的大小，进而调控烧结而成的陶瓷晶粒大小。本发明具体采用的技术方案如下：