[发明专利]电介质陶瓷材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种电介质陶瓷材料及其制备方法，将纯度为99.8%无水碳酸钠、99%五氧化二铌、99%碳酸钡和98.5%氧化镁原料烘干处理称取倒入球磨罐中，得到混合物；将无水乙醇、混合物、氧化锆以1:1:2质量比进行第一次球磨，烘干过筛；将第一次球磨后的干粉在800‑900℃空气中预烧4小时后，研磨过筛；将预烧后的粉料、氧化锆与无水乙醇以1:2:1的质量比进行第二次球磨，烘干；将第二次球磨烘干后的粉体加入5wt%聚乙烯醇进行造粒，用模具和脱模液压机得到成形的陶瓷块体；将陶瓷块体在550℃下排胶4小时，烧结得到电介质陶瓷材料。本发明制备的固溶体陶瓷材料，烧结温度较低，储能性能优异，具有很大的商业应用前景。

技术领域

本发明涉及电介质储能陶瓷技术领域，尤其涉及一种电介质陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

目前，初始能源的种类主要有电能(固态电容器，超级电容器，电感等)、机械能(电动机，惯性储能)和化学能(锂电池，燃料电池)。其中固态电容器以其高的功率密度、快的充放电速度和长的循环寿命成为脉冲功率技术优先选择的储能方式，高储能密度的介质材料对许多电力电子器件的体积减少(体积效率)作用是显著的，但其储能密度(W_rec)相对较低，不能满足脉冲功率器件集成化、轻量化和小型化的需求。目前大功率脉冲电源中应用的电容器大多是箔式结构电容器和金属化膜电容器。前者存在储能密度低，易发生故障爆炸等问题；后者存在使用寿命短，放电电流小等不足。因此，为满足大功率脉冲电源中需要储能元件具有高储能密度、长的充放电寿命和大输出电流等特殊性能的要求，设计和制备高性能的储能介质材料具有重要意义。

目前用于固态电容器的介质材料主要包括聚合物、陶瓷-聚合物复合材料、玻璃、玻璃陶瓷和陶瓷五大类。相对于其他储能介质材料，介电陶瓷具有中等的击穿场强(E_b)、较低的介电损耗(tan_δ)，优良的温度稳定性和抗疲劳特性，能更好的满足航空航天、石油钻井、电磁脉冲武器等领域对储能电容器的需求。电介质材料与化学储能装置，如电池和超级电容器相比，由于其快速充放电速率、抗老化和极端环境下的高性能稳定性，已被积极地研究用于储能应用。因而，陶瓷介质材料被认为是制备耐高温固态电容器的优秀材料。

目前，无铅储能陶瓷材料主要集中在BaTiO₃、(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃、(K_0.5Na_0.5)NbO₃等陶瓷材料上，但是，这些材料很难同时具有高储能密度和高储能效率。这限制了它们的实际应用。因此，设计和制备同时具备高储能密度和高储能效率的无铅电介质储能陶瓷是电介质储能陶瓷技术领域目前面临的技术难点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电介质陶瓷材料及其制备方法，旨在Ba(Mg_1/3Nb_2/3)O₃掺杂进NaNbO₃基体中，获得低剩余极化强度，降低NaNbO₃陶瓷的介电损耗，杂质的掺杂使得陶瓷致密度提高，晶粒尺寸较小，使得陶瓷的击穿场强得到大幅度提高，得到大储能密度和高利用率的陶瓷材料。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种电介质陶瓷材料的制备方法，包括：

将纯度为99.8%无水碳酸钠、99%五氧化二铌、99%碳酸钡和98.5%氧化镁原料在90℃条件下烘干处理24小时后，称取各原料，并倒入球磨罐中，得到混合物；

将无水乙醇、所述混合物、氧化锆以1:1:2的质量比进行第一次球磨4小时，烘干过筛，得到干粉；

将第一次球磨后的干粉在800-900℃空气中预烧4小时后，研磨过筛；

将预烧后的粉料、氧化锆与无水乙醇以1:2:1的质量比进行第二次球磨4小时，烘干；