本發(fā)明屬于功能陶瓷，具體涉及一種高儲(chǔ)能特性鈦酸鋇-鈮酸銀弛豫鐵電陶瓷及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、近年來(lái)，隨著電動(dòng)汽車、航空航天工業(yè)和便攜式電子產(chǎn)品的快速發(fā)展，對(duì)集成、緊湊和高效電子系統(tǒng)的需求急劇增加。陶瓷電容器作為脈沖功率系統(tǒng)的關(guān)鍵元件，可同時(shí)提供大功率密度、快速充放電速度、高擊穿強(qiáng)度和寬溫度范圍內(nèi)的高穩(wěn)定性。然而，與電化學(xué)儲(chǔ)能設(shè)備相比，陶瓷電容器的低能量密度限制了其應(yīng)用。鉛基陶瓷仍然是當(dāng)前商用脈沖電容器的主流，在原料開(kāi)采、器件制備和回收處理等環(huán)節(jié)中對(duì)環(huán)境和人體的嚴(yán)重危害，其使用已被各國(guó)所限制。而目前無(wú)鉛電介質(zhì)材料較低的儲(chǔ)能密度對(duì)脈沖功率系統(tǒng)的集成化、輕量化、小型化提出了巨大的挑戰(zhàn)。因此，發(fā)展具有高儲(chǔ)能密度的無(wú)鉛陶瓷材料迫在眉睫。

2、batio3由于高介電常數(shù)、低生產(chǎn)成本、穩(wěn)定的化學(xué)結(jié)構(gòu)成為目前應(yīng)用最廣泛的介電材料，但是未改性的batio3陶瓷材料中的長(zhǎng)程有序偶極排列會(huì)導(dǎo)致高剩余極化，a位極化缺失則會(huì)導(dǎo)致低飽和極化，從而極大地阻礙了儲(chǔ)能性能的增強(qiáng)。弛豫化設(shè)計(jì)可以降低鐵電材料剩余極化、提升擊穿場(chǎng)強(qiáng)，因此被認(rèn)為是提升鐵電材料儲(chǔ)能性能的有效措施。

3、目前，已有大量針對(duì)提高鈦酸鋇基陶瓷材料儲(chǔ)能特性的報(bào)道。例如，(ba0.8bi0.2)(ti0.58zr0.14sc0.18mg0.04nb0.05ta0.01)o3陶瓷通過(guò)b位的高熵實(shí)現(xiàn)了5.18j/cm3的可回收能量密度(參考文獻(xiàn)：j.alloy.compd.2024,970,8.)；0.85(0.9batio3-0.1bi(mg2/3ta1/3)o3-0.15natao3陶瓷可實(shí)現(xiàn)6.02j/cm3的儲(chǔ)能密度(參考文獻(xiàn)：j.eur.ceram.soc.2024,44,3916.)。然而，上述研究中改性后鈦酸鋇基陶瓷的飽和極化強(qiáng)度的大幅降低(分別為640kv/cm電場(chǎng)下的18μc/cm2、718kv/cm電場(chǎng)下的27μc/cm2)也限制了鈦酸鋇基陶瓷儲(chǔ)能特性的提升。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種具有高極化的高儲(chǔ)能特性鈦酸鋇-鈮酸銀弛豫鐵電陶瓷及其制備方法和應(yīng)用。本發(fā)明提供的陶瓷材料性能優(yōu)異、無(wú)鉛環(huán)保、制備簡(jiǎn)單，且具有高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高儲(chǔ)能密度和效率的特點(diǎn)，為脈沖電容器等器件提供了一種高性能的備選儲(chǔ)能材料。

2、第一方面，本發(fā)明提供了一種高儲(chǔ)能特性鈦酸鋇-鈮酸銀弛豫鐵電陶瓷，所述鈦酸鋇-鈮酸銀弛豫鐵電陶瓷的化學(xué)組成為：(1-x)batio3-xagnbo3；其中，0.06≤x≤0.08。

3、較佳地，所述高儲(chǔ)能特性鈦酸鋇-鈮酸銀弛豫鐵電陶瓷的擊穿場(chǎng)強(qiáng)為554～665kv/cm，可回收能量密度為4.02～6.04j/cm3，儲(chǔ)能效率為81.9～86.8％。

4、第二方面，本發(fā)明提供了一種上述高儲(chǔ)能特性鈦酸鋇-鈮酸銀弛豫鐵電陶瓷的制備方法，所述制備方法包括以下步驟：

5、(1)按照化學(xué)式(1-x)batio3-xagnbo3中的元素計(jì)量比稱取碳酸鋇粉體、二氧化鈦粉體、氧化銀粉體、五氧化二鈮粉體作為原料并混合，在氧氣氛圍下煅燒，再經(jīng)細(xì)磨過(guò)篩，得到陶瓷粉體；

6、(2)在所述陶瓷粉體中加入粘結(jié)劑，經(jīng)造粒過(guò)篩和模壓成型，得到陶瓷生坯；

7、(3)在氧氣氛圍下將陶瓷生坯排塑、燒結(jié)，得到所述高儲(chǔ)能特性鈦酸鋇-鈮酸銀弛豫鐵電陶瓷。

8、較佳地，步驟(1)中，原料粉體的純度均至少為99％；

9、所述混合的方式為行星球磨，混合的參數(shù)包括：球磨的介質(zhì)為無(wú)水乙醇，磨球?yàn)檠趸喦蚝脱趸喼蚰サ霓D(zhuǎn)速為200～240r/min，球磨的時(shí)間為4～6h；優(yōu)選地，氧化鋯球的粒徑為6mm，氧化鋯柱尺寸為直徑10mm×高10mm，磨球中的氧化鋯球和氧化鋯柱的質(zhì)量各占一半，球磨時(shí)間為4h。

10、較佳地，步驟(1)中，所述煅燒的溫度為1270～1330℃，煅燒的時(shí)間為2～3h，優(yōu)選為3h；

11、所述細(xì)磨過(guò)篩的篩網(wǎng)目數(shù)為40目。

12、較佳地，步驟(2)中，所述粘結(jié)劑為濃度6～7wt.％的聚乙烯醇水溶液，加入量為陶瓷粉體質(zhì)量的6～7wt％；所述造粒過(guò)篩的篩網(wǎng)目數(shù)為40目。

13、較佳地，步驟(3)中，所述排塑的過(guò)程為：以2-4℃/分鐘的速率升溫至600-800℃并保溫2-3h；優(yōu)選地，以2℃/分鐘的速率升溫至800℃并保溫2h。

14、較佳地，步驟(3)中，所述燒結(jié)的過(guò)程為：以2-4℃/分鐘的升溫速率升溫至1000℃，隨后以2℃/分鐘升溫速率升溫至1220～1280℃，保溫時(shí)間為2-3h。

15、第三方面，本發(fā)明提供了一種儲(chǔ)能陶瓷元件，所述儲(chǔ)能陶瓷器件包括：上述高儲(chǔ)能特性鈦酸鋇-鈮酸銀弛豫鐵電陶瓷，以及分布在所述高儲(chǔ)能特性鈦酸鋇-鈮酸銀弛豫鐵電陶瓷表面的電極。

16、第四方面，本發(fā)明提供一種上述高儲(chǔ)能特性鈦酸鋇-鈮酸銀弛豫鐵電陶瓷在多層陶瓷電容器、脈沖功率裝置中的應(yīng)用。

17、有益效果

18、鈮酸銀由于其短共價(jià)ag-o鍵而具有高的極化強(qiáng)度，本發(fā)明將具有高自發(fā)極化強(qiáng)度的反鐵電材料鈮酸銀固溶進(jìn)鈦酸鋇中，在誘導(dǎo)弛豫的基礎(chǔ)上，鈮酸銀的引入在鈦酸鋇陶瓷中構(gòu)建了新的a-o耦合，從而補(bǔ)償了鈦酸鋇陶瓷弛豫化過(guò)程中的極化缺失，弛豫后的鈦酸鋇-鈮酸銀弛豫鐵電陶瓷在外加電場(chǎng)下表現(xiàn)出高的極化響應(yīng)，同時(shí)陶瓷的擊穿場(chǎng)強(qiáng)得到了顯著的提升(554～665kv/cm)，最終陶瓷的儲(chǔ)能性能獲得了顯著的改善，陶瓷的可回收能量密度為4.02～6.04j/cm3，能量效率為81.9～86.8％；

19、本發(fā)明的制備工藝簡(jiǎn)單、可靠性高、環(huán)境友好，在高功率脈沖電容器等領(lǐng)域呈現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。

技術(shù)特征：

1.一種高儲(chǔ)能特性鈦酸鋇-鈮酸銀弛豫鐵電陶瓷，其特征在于，所述鈦酸鋇-鈮酸銀弛豫鐵電陶瓷的化學(xué)組成為：(1-x)batio3-xagnbo3；其中，0.06≤x≤0.08。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高儲(chǔ)能特性鈦酸鋇-鈮酸銀弛豫鐵電陶瓷，其特征在于，所述高儲(chǔ)能特性鈦酸鋇-鈮酸銀弛豫鐵電陶瓷的擊穿場(chǎng)強(qiáng)為554～665kv/cm，可回收能量密度為4.02～6.04j/cm3，儲(chǔ)能效率為81.9～86.8％。

3.一種權(quán)利要求1或2所述的高儲(chǔ)能特性鈦酸鋇-鈮酸銀弛豫鐵電陶瓷的制備方法，其特征在于，所述制備方法包括以下步驟：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，步驟(1)中，原料粉體的純度均至少為99％；

5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的制備方法，其特征在于，步驟(1)中，所述煅燒的溫度為1270～1330℃，煅燒的時(shí)間為2～3h，優(yōu)選為3h；

6.根據(jù)權(quán)利要求3-5中任一項(xiàng)所述的制備方法，其特征在于，步驟(2)中，所述粘結(jié)劑為濃度6～7wt.％的聚乙烯醇水溶液，加入量為陶瓷粉體質(zhì)量的6～7wt％；所述造粒過(guò)篩的篩網(wǎng)目數(shù)為40目。

7.根據(jù)權(quán)利要求3-6中任一項(xiàng)所述的制備方法，其特征在于，步驟(3)中，所述排塑的過(guò)程為：以2-4℃/分鐘的速率升溫至600-800℃并保溫2-3h；優(yōu)選地，以2℃/分鐘的速率升溫至800℃并保溫2h。

8.根據(jù)權(quán)利要求3-7中任一項(xiàng)所述的制備方法，其特征在于，步驟(3)中，所述燒結(jié)的過(guò)程為：以2-4℃/分鐘的升溫速率升溫至1000℃，隨后以2℃/分鐘升溫速率升溫至1220～1280℃，保溫時(shí)間為2-3h。

9.一種儲(chǔ)能陶瓷元件，其特征在于，所述儲(chǔ)能陶瓷器件包括：權(quán)利要求1或2所述的高儲(chǔ)能特性鈦酸鋇-鈮酸銀弛豫鐵電陶瓷，以及分布在所述高儲(chǔ)能特性鈦酸鋇-鈮酸銀弛豫鐵電陶瓷表面的電極。

10.一種權(quán)利要求1或2所述的高儲(chǔ)能特性鈦酸鋇-鈮酸銀弛豫鐵電陶瓷在多層陶瓷電容器、脈沖功率裝置中的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種高儲(chǔ)能特性鈦酸鋇?鈮酸銀弛豫鐵電陶瓷及其制備方法和應(yīng)用。所述高儲(chǔ)能特性鈦酸鋇?鈮酸銀弛豫鐵電陶瓷的化學(xué)組成為：(1?x)BaTiO<subgt;3</subgt;?xAgNbO<subgt;3</subgt;；其中，0.06≤x≤0.08。

技術(shù)研發(fā)人員：劉振,劉明昊,王根水
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/23