[发明专利]一种无铅弛豫铁电高储能密度陶瓷材料及其制备方法

说明书

本发明提供一种无铅弛豫铁电高储能密度陶瓷材料及其制备方法，属于功能陶瓷材料技术领域，所述无铅弛豫铁电高储能密度陶瓷材料的化学通式为[(1‑x)NaNbOsubgt;3/subgt;‑xBa(Fesubgt;0.5/subgt;Nbsubgt;0.5/subgt;)Osubgt;3/subgt;]+yMnOsubgt;2/subgt;，0.1x≤0.2，0y≤0.05。通过将适量的Ba(Fe0subgt;.5/subgt;Nbsubgt;0.5/subgt;)Osubgt;3/subgt;和Mn掺杂进NaNbOsubgt;3/subgt;基体中，NaNbOsubgt;3/subgt;陶瓷由(反)铁电体转变为弛豫铁电体且晶粒得到细化，使得所制备的无铅弛豫铁电高储能密度陶瓷材料的剩余极化大幅度减小以及击穿场强得到大幅度提高，得到大储能密度和高储能效率的陶瓷材料。

技术领域

本发明属于功能陶瓷材料技术领域，特别涉及一种无铅弛豫铁电高储能密度陶瓷材料及其制备方法

背景技术

随着社会现代化的全面发展，人们对能源需求不断增加与石油等化石燃料不可再生能源短缺的冲突加剧，这使得人类未来将要面临着巨大的能源危机。因此，如何高效利用能源和开发新能源变得越来越重要，成为世界各国共同关注的焦点。基于对可再生能源的有效利用，电能存储的开发和利用已成为缓解当前能源危机的重要途径，寻找电能储存的新材料和新工艺是及其必要的。电介质电容器因具有充放电速度快、使用寿命时间长等优点，使得它们能够满足不同方面的应用需求。随着科学技术的不断发展，在某些特定的应用中如脉冲电源系统等对储能材料提出了新的需求，即具有超快充放电速率和超高功率密度。通过对电容器及其材料的改性，获得同时具有高能量和功率密度的材料，已成为当前研究的主要方向和热点。目前,用于制备电容器的高储能密度电介质材料的研究主要集中在聚合物、聚合物-陶瓷复合材料以及陶瓷三大类。其中，电介质陶瓷材料因其介电常数高、可调性好、热稳定性好、储能密度高及能量损耗低等优点，而被广泛应用于储能器件中。

储能陶瓷介质材料主要分为线性陶瓷、铁电体陶瓷和反铁电体陶瓷三大类。三类陶瓷介质均具有各自不同的储能特性优缺点。通过构建弛豫铁电体或弛豫反铁电体是当前实现高储能密度和高储能效率的有效途径。其中弛豫铁电陶瓷介质材料，由于构建了弛豫特性使其具有较高的饱和极化强度以及低的极化滞后而具备获得优异的储能特性潜力。但是当前大多数的(反)铁电陶瓷材料为铅基材料，其组成往往含有大量对环境以及人体有害的Pb元素，如铅基复合钙钛矿型弛豫铁电体：Pb(Zr_xTi_1-x)O₃掺杂Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃(PMN)和铅锌铌系Pb(Zn_1/3Nb_2/3)O₃(PZN)。因此，结合当前可持续发展以及节能减排战略，开发环境友好的无铅电介质储能材料变得格外重要。(K,Na)NbO₃(KNN)因其优异的铁电性能，是最有望替代铅基材料的无铅电介质体系。然而该体系存在K元素高温挥发以及K₂CO₃原料易潮解等特性，且烧结过程易产生第二相，KNN材料因此不可避免地面临难烧结和工艺稳定性差等问题，使得烧出的电介质陶瓷大多具有较大的介质损耗(这意味着较差的电场击穿强度)而与优异电介质储能特性相悖。

发明内容