[发明专利]钛酸铋钠基高储能密度和功率密度陶瓷及制备方法和应用

说明书

本发明涉及钛酸铋钠基高储能密度和功率密度陶瓷及制备方法和应用，该陶瓷的化学组成为(1‑x)Bi_0.5Na_0.5TiO₃‑xSrNb_0.5Al_0.5O₃，其中x＝0.15～0.35，使用固相反应法制备得到，包括将原料按化学计量比进行配料、一次球磨和800～850℃煅烧后得到预合成的粉体，再经过二次球磨、造粒、陈腐和压制成型等工艺得到钛酸铋钠基陶瓷生坯，经1150‑1180℃高温烧结得到钛酸铋钠基陶瓷样品。与现有的储能陶瓷介质材料相比，本发明最显著的优点为环境友好型材料，其制备过程简单、制备工艺稳定，适合工业化批量生产，且具有储能密度和功率密度高、温度和频率稳定性优异等特点，能够广泛地应用于脉冲功率器件中。

技术领域

本发明涉及脉冲功率电容器用陶瓷介质材料领域，具体是一种钛酸铋钠基高储能密度和功率密度陶瓷及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，电子元器件不断向轻量化、小型化和集成化的方向发展，这对用于电子元器件的材料提出了越来越高的要求。相比于电池、电化学电容器等储能装置，陶瓷电介质电容器能够表现出功率密度高、充放电速度快、使用寿命长以及温度稳定性优异等特点，是脉冲功率系统的重要组成部分，能够广泛的应用于高功率微波武器、激光武器、电磁发射器、混合动力电动车等脉冲功率体系中。

目前应用于脉冲功率器件的陶瓷电介质电容器主要集中在铅基反铁电材料，这是由于铅基反铁电陶瓷介质材料具有较高的击穿电场强度和储能密度。然而，随着人们环保意识的不断增强以及环保主题日益引起世界各国的关注，使得含铅材料的使用逐渐受到限制。因此，开发出具有高储能密度和功率密度的新型无铅陶瓷介质材料就显得尤为重要和紧迫。钛酸铋钠(Bi_0.5Na_0.5TiO₃，BNT)属于一种ABO₃复合型钙钛矿结构材料，具有较高的最大极化强度(P_max～40μC/cm²)，被认为是有望取代铅基储能陶瓷的候选材料之一。但是纯BNT陶瓷的剩余极化强度和漏电流较大，并且击穿电场强度低，其电滞回线类似于方形，使得BNT陶瓷的储能密度和储能效率低，限制了其在储能领域中的应用。为了提高BNT陶瓷的能量存储特性，人们对其组成和结构进行了许多研究工作，但是目前大多数BNT基陶瓷的储能密度和储能效率依然较低(储能密度＜2J/cm³，储能效率＜80％)，依然难以满足电子元器件面向无铅化快速发展的需要。

中国专利CN108395245A公开了高储能密度的钛酸铋钠基电介质薄膜及其制备方法和应用，组成为Bi_0.5(Na_0.8K_0.2)_0.5TiO₃-xSrZrO₃，其制备方法为溶胶凝胶法，按照化学计量比配置前驱体溶液，随后滴至洗净的Pt/Ti/SiO₂/Si基片上旋转涂覆，依次经过150℃-350℃-700℃热处理，重复上述旋转镀膜以及热处理工艺，直至膜厚达到500～600nm，并且还可以在薄膜上使用溅射工艺制备金属上电极。该专利主要集中于在Bi_0.5(Na_0.8K_0.2)_0.5TiO₃体系中掺入SrZrO₃来改善储能密度，并且 SrZrO₃的掺入量控制在0.20以下，但是得到的材料的储能效率随温度升高而显著降低，不利于高温环境的使用。此外，薄膜材料由于自身较薄，难以制备出体积较大的块体材料，限制了其进一步的应用。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种钛酸铋钠基高储能密度和功率密度陶瓷及其制备方法和应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：