[发明专利]稀土元素Tm掺杂的铌酸银反铁电陶瓷材料及其制备方法

说明书

本发明涉及稀土元素Tm掺杂的铌酸银反铁电陶瓷材料及其制备方法，所述稀土元素Tm掺杂的铌酸银反铁电陶瓷材料为单一钙钛矿结构，其组成通式为Ag_1‑3xTm_xNbO₃，其中，0.01≤x≤0.08。

技术领域

本发明涉及一种铌酸银基反铁电陶瓷材料及其制备方法，具体涉及稀土元素Tm掺杂的铌酸银反铁电陶瓷材料及其制备方法和且该储能陶瓷材料储能介质电容器中的应用，属于功能陶瓷材料技术领域。

背景技术

由于对能源，经济和社会可持续发展的日益关注，储能材料受到了极大的关注和研究兴趣，这也是高效储能设备的核心。目前所用的电能存储装置中，脉冲功率电容器具有快速充放电能力和高功率密度的优点，在脉冲功率技术中得到越来越广泛的应用。如电磁脉冲炮、粒子加速器、地质勘探、医疗器械、静电除尘等。但能量密度较低，通常比电化学电容器，电池低一个数量级。此外，电容器在脉冲功率设备中占比很大。据报道，脉冲功率电容器占了功率电子器件超过25％的体积和重量。因此，开发出具有小型化、轻量化、集成化的高储能性能和高功率密度的脉冲功率设备成为了未来的前进方向。

作为电容器的介质材料一般分为有机和无机两种。其中无机陶瓷电容器具有使用温度范围宽、损耗低、放电速度快等优点，在脉冲电容器中得到广泛应用。它主要分为线性电介质陶瓷、铁电电介质陶瓷和反铁电电介质陶瓷三类。反铁电陶瓷材料因为具有电场诱导的反铁电-铁电相变，并且在撤去电场后能够在极短的时间内回到反铁电相，从而释放出大量的能量，相对于线性陶瓷和铁电陶瓷来说具有更高的储能密度和更快的放电速度。

目前研究最多的反铁电陶瓷是含铅材料体系。主要有：Pb(La,Zr,Ti)O₃基陶瓷和Pb(La,Zr,Sn,Ti)O₃基陶瓷。但是因为铅对环境的污染及对人们生活健康带来的危害性，研究者正在寻找一种可替代的无铅反铁电材料，其中具有钙钛矿结构的铌酸银(AgNbO₃)陶瓷作为一类反铁电材料，它具有高的饱和极化强度和高的储能密度，被视为非常有前景的反铁电储能材料之一。事实上，AgNbO₃材料在以往是被作为微波陶瓷和光催化材料而受到广泛的研究。直到最近几年，铌酸银(AgNbO₃)才作为储能材料得到关注，成为储能领域的研究热点。

2016年Tian等人第一次将AgNbO₃陶瓷材料用在储能领域。报道了在175kV/cm的电场条件下，纯AgNbO₃陶瓷的储能密度W_rec高达2.1J/cm³。但是纯AgNbO₃陶瓷具有室温下的亚铁电相(M₁)，影响了其储能性能的提高，并且其转折电场及击穿场强有待提高。现有技术一般是通过组分掺杂改性，实现AgNbO₃陶瓷的储能特性得到了极大的提高，表明AgNbO₃陶瓷在储能领域具有广阔的应用前景。

发明内容

针对现有技术中AgNbO₃反铁电储能陶瓷材料中存在的储能密度不高，储能效率有待提高，室温下亚铁电性等问题，本发明的目的在于提供一种通过从影响反铁电性能的容忍因子、高极化率及晶粒尺寸多角度考虑，通过组分设计，开发了一种稀土元素Tm掺杂的铌酸银反铁电陶瓷材料及其制备方法。

一方面，本发明提供了一种稀土元素Tm掺杂的铌酸银反铁电陶瓷材料，所述稀土元素Tm掺杂的铌酸银反铁电陶瓷材料为单一钙钛矿结构，其组成通式为Ag_1-3xTm_xNbO₃，其中，0.01≤x≤0.08。