一種高儲能密度的無鉛反鐵電陶瓷及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及儲能陶瓷電容器制造領(lǐng)域，尤其涉及了一種高儲能密度的無鉛反鐵電陶瓷及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]高密度儲能電容器能夠在極短時間內(nèi)釋放高能脈沖電流從而可作為現(xiàn)代武器與移動裝備的電源。但電子設(shè)備的集成化與小型化發(fā)展趨勢對儲能電容器提出了更高的要求，需要其具有更高的儲能密度。反鐵電材料在外電場作用下會發(fā)生反鐵電一鐵電可逆相變，該過程伴隨著巨大的能量存儲與釋放。因此，反鐵電材料非常適合應(yīng)用于高密度儲能電容器中。然而，已被廣泛研究應(yīng)用的反鐵電材料大多數(shù)是鉛基的，比如PZT、PLZT、PLZST等，其雖然具有良好的反鐵電性能和較高的儲能密度，但是在生產(chǎn)制備過程中會大量揮發(fā)出氧化鉛造成環(huán)境污染，對人體有長期的生物積累性的危害。隨著越來越多的國家開始限制鉛基材料在電子產(chǎn)品中的使用，無鉛材料的開發(fā)和應(yīng)用變的越來越急迫。
[0003]Bia5Naa5Ti03(簡寫為BNT)是一種A位復(fù)合取代鈣鈦礦型鐵電體，其在溫度變化下會發(fā)生鐵電一反鐵電相變現(xiàn)象。通過適當(dāng)?shù)碾x子摻雜可以降低BNT的相變溫度，使BNT在室溫下獲得較好的反鐵電性能，表現(xiàn)出類似PZT材料的雙電滯回線。在BNT晶格中固溶BaTi03 (簡寫為BT)所形成的BNT-BT 二元體系由于能夠顯著降低BNT過大的矯頑場強(qiáng)而備受矚目，其在BT含量為6mol%左右時出現(xiàn)菱方相與四方相共存的準(zhǔn)同相界區(qū)域并顯示出良好的鐵電和壓電性能，這一獨特的組成為探索開發(fā)BNT-BT基材料的反鐵電性能提供了可能性。目前，國內(nèi)僅有少量專利涉及BNT-BT基陶瓷材料在室溫下的反鐵電性能，并且其耐壓強(qiáng)度和儲能密度都相對較低，因此有必要開發(fā)一種儲能密度高且生產(chǎn)工藝簡單、成本較低的無鉛反鐵電材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是為了改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種具有高擊穿場強(qiáng)和高儲能密度的無鉛反鐵電陶瓷材料；本發(fā)明的另一目的是提供上述陶瓷材料的制備方法。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種高儲能密度的無鉛反鐵電陶瓷，其特征在于其化學(xué)組成通式為(l-x)BiQ.47NaQ.47BaaQ6Ti03_xY203，其中 0.005 彡 x 彡 0.04。
[0006]本發(fā)明還提供了制備上述的無鉛反鐵電陶瓷的方法，其具體步驟如下:
[0007](1)按照化學(xué)式(l-x)Bia47Naa47Baao6Ti03-xY203，式中 0.005 彡 x 彡 0.04，分別稱取原料于球磨機(jī)球磨混合，然后放入烘箱干燥；
[0008](2)將步驟⑴所得的粉料放入高溫爐中于800?900°C煅燒2?4小時，煅燒后的粉料再次球磨并干燥；
[0009](3)將步驟⑵所得粉料加入有機(jī)粘結(jié)劑造粒，過篩，將粉料壓制成型、排膠，得陶瓷坯體；
[0010](4)將步驟(3)所得陶瓷坯體放入高溫爐中，采用二步燒結(jié)工藝燒結(jié):第一步，以5?10°C /min的升溫速率加熱到1120?1180°C，不保溫；第二步，以10?30°C /min的降溫速率將溫度降低到960?1040°C，保溫5?10小時，隨爐冷卻；
[0011](5)將步驟(4)燒結(jié)后的陶瓷樣品經(jīng)過拋光打磨后被銀電極，得高儲能密度的無鉛反鐵電陶瓷。
[0012]優(yōu)選步驟(1)稱取的原料為Bi203、Na2C03、Ti02、BaC03和 Y 203。
[0013]優(yōu)選步驟(1)和步驟(2)中的球磨機(jī)為行星式球磨機(jī)；球磨過程的球磨介質(zhì)均為氧化鋯球或瑪瑙球，分散劑均為丙酮或無水乙醇；粉料:球磨介質(zhì):分散劑的重量比均為1:(1?3): (1?3);球磨機(jī)轉(zhuǎn)速均為250?300r/min，球磨時間均為8?24小時。
[0014]優(yōu)選步驟(3)中的粘結(jié)劑為質(zhì)量濃度為5?7被％的聚乙烯醇溶液；聚乙烯醇溶液的加入量為粉料總質(zhì)量的5?8%。
[0015]優(yōu)選步驟(3)中所述的過篩為過80目方孔篩。優(yōu)選步驟(3)中的排膠溫度為500?650°C，保溫1?2小時。
[0016]有益效果:
[0017]本發(fā)明通過在鐵電Bia47Naa47Baa(]6Ti03成分中摻加適當(dāng)?shù)腨 203，結(jié)合二步燒結(jié)工藝，獲得了反鐵電性優(yōu)異的陶瓷材料，其具有極高的致密度和擊穿場強(qiáng)，儲能密度最高可達(dá)
2.06J/cm3。此外，本發(fā)明所采用的制備方法成本低廉、工藝簡單、便于應(yīng)用推廣。
【附圖說明】
[0018]圖1為實例1所得陶瓷樣品在室溫下測得的電滯回線；
[0019]圖2為實例2所得陶瓷樣品在室溫下測得的電滯回線；
[0020]圖3為實例3所得陶瓷樣品在室溫下測得的電滯回線；
[0021]圖4為實例4所得陶瓷樣品在室溫下測得的電滯回線；
【具體實施方式】
[0022]實施例1:
[0023]制備0.99Bi0.47Na0.47Ba0.06Ti03-0.01Y203反鐵電陶瓷材料:
[0024]按照上述化學(xué)組成計算原料Bi203、Na2C03、Ti02、BaC03、Y203的質(zhì)量并用分析天平準(zhǔn)確稱取，將稱量后的原料與瑪瑙球及無水乙醇按照重量比1:2:1混合裝入球磨罐球磨，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為250r/min，球磨時間為16小時，經(jīng)干燥后放入高溫爐在850°C煅燒2.5小時，再二次球磨(原料與瑪瑙球及無水乙醇的質(zhì)量比1:2:1)，轉(zhuǎn)速為250r/min，球磨時間為20小時。干燥之后按照粉料總質(zhì)量的7%添加質(zhì)量濃度為5被％的聚乙烯醇溶液造粒，過80目篩，經(jīng)壓片，在550保溫1.5小時排膠后，采用二步燒結(jié)工藝燒結(jié)成陶瓷:第一步，以5°C /min的升溫速率加熱到1140°C，不保溫，第二步，以20°C /min的降溫速率將溫度降低到1000°C，保溫5小時，隨爐冷卻。將陶瓷表面拋光后被電極，測試陶瓷樣品在室溫10Hz交流電場下的電滯回線，并根據(jù)電滯回線積分計算儲能密度。
[0025]其在室溫下測得的電滯回線如圖1所示，儲能密度為2.03J/cm3，擊穿場強(qiáng)為164kV/cm。
[0026]實施例2:
[0027]制備0.98Bi0.47Na0.47Ba0.06Ti03-0.02Y203反鐵電陶瓷材料:
[0028]按照上述化學(xué)組成計算原料Bi203、Na2C03、Ti02、BaC03、Y203的質(zhì)量并用分析天平準(zhǔn)確稱取，將稱量后的原料與瑪瑙球及無水乙醇按照重量比1:1:2混合裝入球磨罐球磨，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為275r/min，球磨時間為16小時，經(jīng)干燥后放入高溫爐在850°C煅燒3小時，再二次球磨(原料與瑪瑙球及無水乙醇的質(zhì)量比1:1:3)，轉(zhuǎn)速為275r/min，球磨時間為24小時。干燥之后按照粉料總質(zhì)量的7%添加質(zhì)量濃度為5wt%的聚乙烯醇溶液造粒，過80目篩，經(jīng)壓片，在600保溫1小時排膠后，采用二步燒結(jié)工藝燒結(jié)成陶瓷:第一步，以5°C /min的升溫速率加熱到1140°C，不保溫，第二步，以20°C /min的降溫速率將溫度降低到1000°C，保溫7小時，隨爐冷卻。將陶瓷表面拋光后被電