一种高储能密度钛酸锶铋基复相陶瓷及其制备方法

IPC分类号 : C04B35/475,C04B35/622

申请号

CN201510103056.4

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专利摘要

本发明公开了一种高储能密度钛酸锶铋基复相陶瓷介质材料及其制备方法，成分以通式(1-x-y)Sr1-1.5z(Bi0.8La0.2)zTiO3-x(Bi0.5Na0.5)1-mMgmTiO3-yBi0.5Li0.5(Ti0.92Mn0.08)O3来表示，其中x、y、z、m表示摩尔分数，0.2≤x≤0.7；0.01≤y≤0.2；0.05≤z≤0.3；0.02≤m≤0.2。本发明通过成分调节，形成复相组成，采用微波烧结形成均匀细小晶粒的致密结构，即保持高的介电常数，有获得高的耐压。本发明制备工艺简单、稳定，适合工业推广应用。本发明的高储能密度复相陶瓷介质材料，具有优异的储能特性及储能效率，储能密度可达1.9J/cm3，储能效率可达65%，环境友好、损耗低、实用性好。

权利要求

1.一种高储能密度钛酸锶铋基复相陶瓷介质材料，其特征是：组成通式为：

(1-x-y)Sr_1-1.5z(Bi_0.8La_0.2)_zTiO₃-x(Bi_0.5Na_0.5)_1-mMg_mTiO₃-yBi_0.5Li_0.5(Ti_0.92Mn_0.08)O₃

其中x、y、z、m表示摩尔分数，0.2≤x≤0.7；0.01≤y≤0.2；0.05≤z≤0.3；0.02≤m≤0.2。

2.如权利要求1的高储能密度低损耗无铅陶瓷介质的制备方法，其特征是：

(1) 按照(1-x-y)Sr_1-1.5z(Bi_0.8La_0.2)_zTiO₃-x(Bi_0.5Na_0.5)_1-mMg_mTiO₃-yBi_0.5Li_0.5(Ti_0.92Mn_0.08)O₃

(其中x、y、z、m表示摩尔分数，0.2≤x≤0.7；0.1≤y≤0.2；0.05≤z≤0.3；0.02≤m≤0.2)进行配料，以无水乙醇为介质振动球磨24小时，干燥后在坩埚中以800-900°C预烧保温4小时合成粉体；

（2）获得的粉体烘干，加入2%(重量百分比)浓度的PVA溶液造粒，在50MPa压力下压制成型圆片；

（3）将成型后的圆片在微波烧结炉中烧结，100℃/h的速率升温至600℃保温2小时，再以500℃/h的速率快速升温到1100℃保温0.1小时，随炉降温至室温；

（4）烧结后的样品加工成两面光滑、厚度约0.3mm的薄片，披银电极即成。

说明书

技术领域

本发明涉及介电储能陶瓷材料，具体是一种高储能密度钛酸锶铋基复相陶瓷及其制备方法。

背景技术

发展中国家经济增长加速伴随着对能源需求日益增长，提高传统能源利用效率和拓展新能源实用范围的问题日益凸显。储能电容器具有放电功率大、利用效率高、储能密度上升空间大、充放电速度快、抗循环老化、适用于高温高压等极端环境和性能稳定等优点，正逐渐成为脉冲功率设备中的储能元件而被广泛应用于电磁轨道炮武器、全电动军舰、战斗用车辆和混合动力汽车等国防及现代工业领域。同时，新技术的发展对提高介电材料的储能特性进而实现设备的轻量化、微型化和满足特殊用途提出了更高的要求。但现有的介电储能材料存在储能密度低、放电电流小、放电寿命短等问题，难以满足新技术进一步发展的需求。因此，开发出具有高储能密度的电介质材料已成为提高电容器储能特性的关键。

陶瓷介质储能特性与介质本身的介电常数和高工作场强的平方的乘积成正比例关系。一般铁电陶瓷介质材料介电常数大，但击穿强度低，因此，寻找一种具有高介电常数同时又能保持高击穿强度的高储能密度介质材料是当前面临的挑战。

发明内容

本发明的目的是要提供一种高储能密度钛酸锶铋基复相陶瓷及其制备方法，通过铁电陶瓷与先兆性铁电材料复合形成复相陶瓷材料，获得优异的储能特性及储能效率，储能密度可达1.9J/cm³，储能效率可达65%，环境友好、损耗低、实用性好。

实现本发明目的的技术方案是：

一种高储能密度钛酸锶铋基复相陶瓷介质材料，其配方为：

(1-x-y)Sr_1-1.5z(Bi_0.8La_0.2)_zTiO₃-x(Bi_0.5Na_0.5)_1-mMg_mTiO₃-yBi_0.5Li_0.5(Ti_0.92Mn_0.08)O₃

其中x、y、z、m表示摩尔分数，0.2≤x≤0.7；0.01≤y≤0.2；0.05≤z≤0.3；0.002≤m≤0.2。

本发明高储能密度钛酸锶铋基复相陶瓷的制备方法，包括如下步骤：

（1）将原料按照化学式

(1-x-y)Sr_1-1.5z(Bi_0.8La_0.2)_zTiO₃-x(Bi_0.5Na_0.5)_1-mMg_mTiO₃-yBi_0.5Li_0.5(Ti_0.92Mn_0.08)O₃

其中x、y、z、m表示摩尔分数，0.2≤x≤0.7；0.01≤y≤0.2；0.05≤z≤0.3；0.002≤m≤0.2进行配料，以无水乙醇为介质振动球磨24小时，干燥后在坩埚中以800-900°C预烧保温4小时合成粉体；

（2）获得的粉体烘干，加入2%(重量百分比)浓度的PVA溶液造粒，在50MPa压力下压制成型圆片；

（3）将成型后的圆片在微波烧结炉中烧结，100℃/h的速率升温至600℃保温2小时，再以500℃/h的速率快速升温到1100℃保温0.1小时，随炉降温至室温；

（4）烧结后的样品加工成两面光滑、厚度约0.3mm的薄片，披银电极即成。

与已有材料及技术相比，本发明的特色体现在：

1. 与现有材料相比，本发明的陶瓷材料为复相陶瓷材料，即具有铁电材料的高介电性能，同时具有优良的耐压特性。

2. 与原有技术相比，本发明采用微波烧结，烧结温度低，保温时间段，晶粒细小均匀，致密度高。

附图说明

图1 为本发明陶瓷材料电滞回线

图2 本发明陶瓷材料SEM图。

具体实施方式

实施例1：

制备成分为：(1-x-y)Sr_1-1.5z(Bi_0.8La_0.2)_zTiO₃-x(Bi_0.5Na_0.5)_1-mMg_mTiO₃-yBi_0.5Li_0.5(Ti_0.92Mn_0.08)

O₃，其中x=0.7，y=0.1，z=0.1，m=0.05的高储能密度钛酸锶铋基复相陶瓷介质材料，

制备方法包括如下步骤：

（1）以分析纯Bi₂O₃、Na₂CO₃、SrCO₃、MgO、TiO₂、Li₂CO₃、MnO₂和La₂O₃为原料，按照化学式(1-x-y)Sr_1-1.5z(Bi_0.8La_0.2)_zTiO₃-x(Bi_0.5Na_0.5)_1-mMg_mTiO₃-yBi_0.5Li_0.5(Ti_0.92Mn_0.08)O₃(x=0.7，y=0.1，z=0.1，m=0.05)，进行配料，以无水乙醇为介质振动球磨24小时，干燥后在坩埚中以850°C预烧保温4小时合成粉体；