[发明专利]一种高温用高效率的La掺杂储能线性电介质陶瓷材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高温用高效率的La掺杂储能线性电介质陶瓷材料。该材料的制备方法为：首先采用了SrCO₃、CaCO₃、TiO₂和La₂O₃为原料，按化学式(Ca_0.5Sr_0.5)_1‑1.5xLa_xTiO₃配比取料，对粉体进行湿法球磨混合，干燥后的粉体在1200℃下预烧2h，再经过二次球磨、过筛和成型，最终在1400℃温度下烧结2h得到了所需线性电介质陶瓷材料。本发明所制备的陶瓷材料制备工艺简单，原料价格低廉，制作成本低，在室温下，能够获得线性的电滞回线，储能密度最高达到2.07J/cm³，是未掺杂SrTiO₃储能密度的3倍，且在200℃高温下保证储能效率在94%以上。

技术领域

本发明属于线性电介质陶瓷材料的技术领域，涉及一种稀土离子La³⁺通过电荷平衡掺杂的Ca_0.5Sr_0.5TiO₃具有高储能效率的线性电介质陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

随着脉冲功率技术在混合动力汽车、航空航天及石油钻井等领域的飞速发展，对储能介质电容器提出了“高温化、高能量密度和高可靠性”的要求。然而，储能介质电容器的性能主要取决于所使用的储能介质材料。随着脉冲功率源小型化的发展需求，固态储能介质材料的发展日益得到重视。其中陶瓷介质材料具有较高的介电常数，然而击穿强度一般较低，且在单一材料中，一般难以同时获得高介电常数和高击穿强度。且一直以来，材料研究者关注的储能性能参数中，储能密度首当其冲，而储能效率关注度较低。事实上，高储能密度的获得，不仅需要高介电常数和高击穿强度，还需要材料在高电场下具有低介电损耗，即高储能效率。

发明内容

Ca_0.5Sr_0.5TiO₃作为典型的线性电介质材料，具有相较于非线性电介质材料较高的击穿场强及中等的介电常数，通过稀土离子La³⁺的掺杂对基体储能性能进行进一步改性。一方面，三价La离子在Ca_0.5Sr_0.5TiO₃的A位取代二价Sr离子及Ca离子，利用Sr空位补偿机制可提高陶瓷材料介电常数；另一方面，La₂O₃本身是具有高绝缘性(禁带宽度为5.5eV)的材料，即绝缘性能介于材料晶粒与晶界之间，因此有为晶粒与晶界之间的电荷传输提供便捷通道、促使电荷由局域态向扩散态转变的理论基础，在一定程度上可抑制界面极化、提高击穿场强，最终改善陶瓷材料的储能性能。

本发明的目的在于提供一种高温用高效率的La掺杂储能线性电介质陶瓷材料及其制备方法，在具有优异储能性能的材料Ca_0.5Sr_0.5TiO₃基体中，通过稀土离子La³⁺电荷平衡的掺杂以期提高陶瓷材料的击穿强度从而改善其储能性能。

为达成上述所提到的性能，本发明采用如下技术方案：

一种高温用高效率的La掺杂储能线性电介质陶瓷材料，其化学式为(Ca_0.5Sr_0.5)_1-1.5xLa_xTiO₃，其中x为La离子的掺杂量，0.000≤x≤0.150，其中x表示摩尔百分比。

该线性电介质陶瓷材料的化学式为：(Ca_0.5Sr_0.5)_1-1.5xLa_xTiO₃，其中x为La离子的掺杂量，0.050≤x≤0.150，其中x表示摩尔百分比。