[发明专利]一种充满型钨青铜结构高熵铁电陶瓷材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种充满型钨青铜结构高熵铁电陶瓷材料及其制备方法，该材料的化学式为：A₃B₅O₁₅，A位六种元素含量为等摩尔比。本发明首次将高熵设计理念引入到钨青铜结构材料中，设计并成功制备具有钨青铜结构的高熵铁电陶瓷，并获得了6.048J/cm³的储能密度和82.1％的储能效率，本发明采用固相法制备，工艺流程简单，且属于无铅无铋材料。本发明有望在电容器中取得实际应用，并为新型介电陶瓷材料研发提供了新思路。

技术领域

本发明属于功能陶瓷技术领域，涉及一种充满型钨青铜结构高熵铁电陶瓷及其制备方法。

背景技术

介电陶瓷电容器以其超快的充放电速度、高功率密度、优异的温度/机械稳定性等优点在聚合物、化学电池和其他储能设备中脱颖而出，并在电磁武器、医疗以及通信等领域得到了广泛的关注和应用。在介电陶瓷材料中，弛豫铁电陶瓷显示出良好的饱和极化特性和细长的电滞回线，可以获得较高的储能密度，还具有良好的循环稳定性、热稳定性、高功率密度和快速充放电率等优点，是一种极具前途的储能材料。铅基和铋基弛豫铁电陶瓷在弛豫铁电陶瓷研究领域占有重要地位，但是铅基化合物对自然环境和人体健康不友好，铋基材料易于与电极之间产生反应。因此，研发具有高储能特性的无铅无铋介电陶瓷材料具有重要意义。

高熵材料由五种或更多的元素组成，它们以接近等摩尔量的比例混合，以引起最大的构型熵(△S_config≥1.61R，R＝8.314J/mol·K)来形成稳定的单相结构。由于元素种类较多、原子半径不同，导致高熵材料中出现一些奇特的效应：一是高熵效应，根据Gibbs自由能公式，高的混合熵将有效降低体系Gibbs自由能，达到热力学稳定从而有助于形成稳定的单相；二是晶格畸变效应，多种元素随机分布且各元素原子半径、价态存在差异从而导致晶格畸变；三是迟滞扩散效应，由于复杂的元素组成，内部势能环境高度紊乱导致缓慢的原子运动，同时晶格畸变产生的内应力也阻碍了原子的扩散；四是鸡尾酒效应，不同元素对结构和性能的影响展现出不同的作用，并且元素之间的相互耦合作用呈现出来的不仅仅是单一的叠加，而是多元素的协同增效作用。高熵材料的出现为开发具有优异性能的非金属材料提供了新的理念和路径，高熵陶瓷便是近年来在高熵合金基础上逐渐发展起来的一种新的陶瓷材料体系。

高熵铁电陶瓷的研究目前大多集中在钙钛矿结构和钙钛矿层状结构，得到的高熵弛豫铁电陶瓷获得了不错的储能特性。例如钙钛矿结构组分(Bi_0.2Na_0.2K_0.2La_0.2Sr_0.2)TiO₃(Journal of the American Ceramic Society,2021,105(2):1083-1094)，具有储能密度W_rec＝0.959J/cm³，储能效率η＝90％；(Na_0.2Bi_0.2Ba_0.2Sr_0.2Ca_0.2)TiO₃(Applied PhysicsLetters,2019,115(22):223901)得到了更高的储能密度(W_rec＝1.02J/cm³)。钙钛矿层状结构组分(Ca_0.25Sr_0.25Ba_0.25Pb_0.25)Bi₂Nb₂O₉和(Ca_0.2Sr_0.2Ba_0.2Pb_0.2Nd_0.1Na_0.1)Bi₂Nb₂O₉也表现出弛豫性质。