[发明专利]一种高储能特性铌酸银基反铁电储能陶瓷及其低温烧结方法

说明书

本发明涉及高储能特性铌酸银基反铁电储能陶瓷及其低温烧结方法，可有效解决现有技术击穿场强低、制备工艺复杂、反铁电相不稳定的问题，其解决的技术方案是，本发明以组分(1‑x)AgNbO3‑x(Sr_0.7Bi_0.2)HfO₃‑0.01BCB为基础，采用传统的固相反应法，将高纯的Ag₂O粉体、Nb₂O₅粉体、SrCO₃粉体、Bi₂O₃粉体和HfO₂粉体作为基体材料；以Ba(OH)₂·8H₂O粉体、H₃BO₃粉体和CuO粉体按摩尔比1:2:1制备而成的BaCu(B₂O₇)作为烧结助剂制备而成，本发明在保证高储能特性的前提下，简化铌酸银基反铁电储能陶瓷的制备工艺，制备出高储能密度，高储能效率并具有良好温度稳定性的铌酸银基反铁电储能陶瓷，是铌酸银基反铁电储能陶瓷制备方法上的创新。

技术领域

本发明涉及陶瓷材料，特别是一种高储能特性铌酸银基反铁电储能陶瓷及其低温烧结方法。

背景技术

固体电介质陶瓷由于其功率密度高、充放电速度快等特点在智能电网、电动动力汽车以及先进武器装备等领域有极大的应用需求。电介质陶瓷根据其介电常数与电场强度的关系分为线性电介质与非线性电介质。线性电介质通常具有介电常数低、介电损耗低以及击穿场强高的特点。非线性电介质主要分为顺电材料、铁电材料、反铁电材料和弛豫铁电材料，其介电常数与电场强度存在一定的函数关系，且其介电常数比线性电介质材料要高。

电介质的储能密度主要与其介电常数和击穿场强有关，高的介电常数和击穿场强有利于储能的增加。反铁电内部相邻晶格内存在互相反平行的偶极子，对外不显示极性，在高电场作用下偶极子重新平行排列，出现可逆反铁电相到铁电相的转变，获得有利于介电储能的双电滞回线。反铁电材料由于其具有滞后低、饱和极化强度大、剩余极化强度低和储能密度高等特征，是一种优良的电介质储能材料。

目前市面上商用的反铁电储能材料以铅基陶瓷为主，铅基陶瓷在其制备过程中产出的含铅物质对环境造成很大的污染，因此开发出一种性能较好的无铅反铁电储能陶瓷具有非常重要的意义。目前对于无铅储能材料的研究热点集中在钛酸钡基、铌酸钠基和铌酸银基材料，其中铌酸银基材料由于其高的极化强度及双电滞回线在众多无铅储能材料里方面有着很大的优势，然而其也存在着击穿场强低、制备工艺复杂、反铁电相不稳定等问题限制着储能密度的提升。

铌酸银是一种典型的钙钛矿(ABO₃)结构材料。目前，对铌酸银基反铁电储能陶瓷的研究主要从稳定其反铁电相，提高其击穿场强两个方面来入手。具体实施方案即通过离子掺杂减小容忍因子t，稳定其反铁电相，提升其相变场强；或借此减小样品的晶粒以提高其击穿场强。根据离子掺杂取代位置的不同，对铌酸银基陶瓷的改性主要分为：A位取代，B位取代，A/B位共同取代三种方式。对于A位取代的研究，比较有代表性的Ag_0.94La_0.02Nb_O3体系的储能达到4.4J/cm³，效率达到73％；对于B位取代，AgNb_0.85Ta_0.15O₃体系储能达到4.2J/cm³，效率达到69％；对于A/B位共同取代，Ag_0.97Nd_0.01Ta_0.20Nb_0.80O₃体系储能达到6.5J/cm³，效率达到71％。然而，在铌酸银基反铁电储能陶瓷制备过程中通常需要在1100℃-1200℃的高温和氧气氛围下保温4-6h，相比于其他无铅储能陶瓷在制备工艺上要复杂很多。

由此可见，如何在保证高储能特性的前提下，简化铌酸银基反铁电储能陶瓷的制备工艺，成为该技术领域的一道难题。