[发明专利]一种高功率密度的Sn掺杂高熵钙钛矿氧化物陶瓷材料及其制备方法

说明书

一种高功率密度的Sn掺杂高熵钙钛矿氧化物陶瓷材料。该材料的制备方法为：首先采用了Na₂CO₃、Bi₂O₃、BaCO₃、SrCO₃、CaCO₃、TiO₂和SnO₂为原料，按化学式(Na_0.2Bi_0.2Ba_0.2Sr_0.2Ca_0.2)Ti_1‑xSn_xO₃配比取料，对粉体进行湿法球磨混合，干燥后的粉体在900℃下预烧2h，再经过二次球磨、过筛和成型，最终在1250℃温度下烧结2h得到了单相的高熵钙钛矿氧化物陶瓷材料。本发明所制备的高熵陶瓷材料制备工艺简单，制作成本低，通过选择适当的x值，可使放电储能密度达到1.74J/cm³，同时功率密度达51.4MW/cm³，提供了一种新的无铅储能材料基体。

技术领域

本发明涉及弛豫铁电体的技术领域，具体涉及一种(Na_0.2Bi_0.2Ba_0.2Sr_0.2Ca_0.2)Ti_1-xSn_xO₃高功率密度高熵钙钛矿氧化物陶瓷材料、制备方法及其应用。

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。当传统材料的发展越来越趋近于其极限、无法满足各行业新技术日益增长的需要时，开发新材料变得尤为重要。“高熵”是近年来出现的新的材料设计理论，目前已成为材料研究领域的一大热点。弛豫铁电体由于在理想状态下具有零剩余极化(P_r)和高饱和极化(P_s)，在储能中的应用越来越受到重视。但大多数弛豫铁电体都含有铅，在制备和使用过程中对环境造成了极大的破坏，因此需要开发无铅的弛豫铁电体体系。

发明内容

(Na_0.2Bi_0.2Ba_0.2Sr_0.2Ca_0.2)Ti_1-xSn_xO₃作为弛豫铁电材料，具有相较于一般铁电材料较低的剩余极化，通过四价离子Sn⁴⁺的掺杂对基体储能性能及充放电性能进行进一步改性。一方面，四价Sn离子在(Na_0.2Bi_0.2Ba_0.2Sr_0.2Ca_0.2)TiO₃的B位取代同价Ti离子，抑制了晶粒生长，降低了晶粒尺寸，增加了高绝缘性晶界的数量，从而增加了晶界势垒高度，利用晶界势垒效应提高材料的击穿强度；另一方面，SnO₂本身是具有高绝缘性（禁带宽度为4.5eV）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。