一種高儲能密度陶瓷材料及制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于電子陶瓷領域，涉及一種高儲能密度陶瓷材料及制備方法。
【背景技術】
[0002] 隨著電子信息技術的快速發展，人們對設備的使用要求越來越高，為了達到更高 的使用性能，微型化、小型化以及集成化是電子元器件的發展趨勢。電容器作為一種重要的 儲能器件，是電子設備中大量使用的電子元器件之一。而陶瓷電容器具有使用溫度范圍寬、 壽命長、性能可靠等優點而被廣泛使用。其中鐵電陶瓷材料具有介電常數大，非線性效應強 等優點，單位體積鐵電陶瓷材料的儲能密度J可由下式計算：
[0003]
[0004]χντ，~乃彳:^丨七跑/叉取人但^為外加電場強度。
[0005] 鐵電陶瓷材料的儲能原理見圖1，其中圖1(a)為其放電過程，圖1(b)為其充電過 程。圖1(b)中的陰影面積為鐵電陶瓷材料在充電過程中所存儲的能量，而圖1(a)中的陰影 面積為其在放電過程中釋放的能量，釋放的能量與存儲的能量之比為儲能效率(η)。從圖1 (a)中可以看到想要提高鐵電陶瓷材料的儲能密度，就要降低Pr(剩余極化強度），提高Pm(最 大極化強度），同時提高鐵電陶瓷的擊穿強度。
[0006] 目前廣泛研究的BaQ.4SrQ.6Ti03儲能陶瓷材料的儲能密度只有0.3J/cm3,通過離子 或化合物摻雜，或者采用放電等離子燒結等先進的制備工藝可以提高其儲能密度，但是采 用這些方法制備儲能陶瓷材料的成本較高，且提高程度有限。
【發明內容】
[0007] 本發明的目的是提供一種高儲能密度陶瓷材料及制備方法，該方法制得的陶瓷材 料儲能密度高達0.66J/cm3〇
[0008] 為實現上述目的，本發明采用如下的技術方案：
[0009] 一種高儲能密度陶瓷材料的制備方法，將BCTZ陶瓷粉體和NBT陶瓷粉體按照化學 式（l-x)NBT-xBCTZ配料，混合均勻后經造粒、成型后，在1150-1200°C下保溫2-4h燒結成瓷， 得到高儲能密度陶瓷材料;其中，X取值范圍為〇. 45-0.55。
[0010] 所述混合均勻是通過球磨實現的。
[0011] 所述球磨是以去離子水作為球磨介質。
[0012] 所述球磨的時間為6_8h。
[0013] 混合均勻后在70°C_90°C下烘干。
[0014] 所述BCTZ陶瓷粉體通過以下方法制得:按照化學式Bao.ssCao.^Zro.mo.gOXBCTZ) 在，將碳酸鋇、碳酸鈣、二氧化鈦和氧化鋯混合均勻后在1270°C下保溫2h合成BCTZ陶瓷粉 體。
[0015] 所述NBT陶瓷粉體通過以下方法制得:按照化學式Na〇.5Bi0.5Ti03(NBT)，將碳酸鈉、 氧化鉍和二氧化鈦混合均勻后在840°C下保溫4h合成NBT陶瓷粉體。
[0016] 一種高儲能密度陶瓷材料，化學式為（1-X)NBT-xBCTZ，其中，X取值范圍為0.45-0.55〇
[0017] 與現有技術相比，由于NaQ.5Bio.5Ti03(NBT)是一種典型的弛豫鐵電體具有極化強 度高、擊穿強度大等優點，而Bao.ssCao^Zro.iTio.gOXBCTZ)是一種典型的正常鐵電體，具有 優異的鐵電性能。本發明的配方為（l-x)NBT-xBCTZ，通過調整化學組成從而獲得一種新體 系的弛豫鐵電體，可以有效降低Pr，同時保證此系統具有相對較高的Pm，從而提高其儲能密 度。本發明采用傳統固相法制備的（1 -X)NBT-xBCTZ，弛豫鐵電陶瓷材料的儲能密度高達 0.66J/cm3，遠高于Bao. 4Sr〇.6Ti03陶瓷材料的儲能密度。本發明的制備方法設備簡單、操作簡 單、成本低、可大規模生產，為大規模、低成本制備高儲能密度陶瓷材料提供了基礎。
【附圖說明】
[0018] 圖1是鐵電陶瓷材料的儲能原理圖，其中圖1(a)為其放電過程，圖1(b)為其充電過 程。
[0019] 圖2是0.45NBT-0.55BCTZ陶瓷材料的電滯回線圖。
[0020] 圖3是0.5NBT-0.5BCTZ陶瓷材料的電滯回線圖。
【具體實施方式】
[0021]下面結合附圖和實施例對本發明做進一步說明。
[0022] 一種高儲能密度陶瓷材料，其特征在于，化學式為（l-x)NBT-xBCTZ，其中，X取值范 圍為0.45-0.55。
[0023] 實施例1
[0024] 一種高儲能密度陶瓷材料的制備方法，按照化學式Bao.ssCao.isZro.iTio. 9〇3 (BCTZ)，將碳酸鋇、碳酸鈣、二氧化鈦和氧化鋯混合均勻后在1270°C下保溫2h合成BCTZ陶瓷 粉體，按照化學式似〇.出丨〇.51103(他1')，將碳酸鈉、氧化鉍和二氧化鈦混合均勻后在840°(3下 保溫4h合成NBT陶瓷粉體。將BCTZ和NBT陶瓷粉體按照化學式0.45NBT-0.55BCTZ配料，用去 離子水作為球磨介質球磨6h混合均勻，然后在80°C下烘干，經造粒、成型后，在1170°C下保 溫2h燒結成瓷，高儲能密度陶瓷材料。
[0025] 實施例2
[0026] 一種高儲能密度陶瓷材料的制備方法，按照化學式Bao.ssCao.isZro.iTio. 9〇3 (BCTZ)，將碳酸鋇、碳酸鈣、二氧化鈦和氧化鋯混合均勻后在1270°C下保溫2h合成BCTZ陶瓷 粉體，按照化學式似〇.出丨〇.51103(他1')，將碳酸鈉、氧化鉍和二氧化鈦混合均勻后在840°(3下 保溫4h合成NBT陶瓷粉體。將BCTZ和NBT陶瓷粉體按照化學式0.5NBT-0.5BCTZ配料，用去離 子水作為球磨介質球磨6h混合均勻，然后在80°C下烘干，經造粒、成型后，在1180°C下保溫 2h燒結成瓷，高儲能密度陶瓷材料。
[0027]參見圖2,為實施例1中制備的陶瓷樣品的電滯回線圖，從圖中可以看到該樣品的 儲能密度可達〇.46J/cm3,儲能效率可達78.96%。圖3為實施例2中制備的陶瓷樣品的電滯 回線，從圖中可以看出該樣品的儲能密度高達〇.66J/cm3,儲能效率高達83.17%。這是由于 將BCTZ加入到NBT中，破壞了NBT原有的對稱性，使得多種鐵電相和非鐵電相同時在（1-x) NBT-xBCTZ存在，在較低的外加電場作用下只有部分鐵電相對宏觀的極化強度有貢獻，所以 該鐵電陶瓷材料的Pr較低，隨著外加電場強度的增加所有的鐵電相都對宏觀極化強度有貢 獻。當外加電場達到最大值時，材料中所有的鐵電相取向一致，此外材料中的部分非鐵電相 在較高電場的作用下轉變成鐵電相，從而保證該體系具有相對較高的最大極化強度，因此 該體系具有高的儲能密度。
[0028] 實施例3
[0029] 一種高儲能密度陶瓷材料的制備方法，按照化學式Bao.ssCao.isZro.iTio. 9〇3 (BCTZ)，將碳酸鋇、碳酸鈣、二氧化鈦和氧化鋯混合均勻后在1270°C下保溫2h合成BCTZ陶瓷 粉體，按照化學式似〇.出丨〇.51103(他1')，將碳酸鈉、氧化鉍和二氧化鈦混合均勻后在840°(3下 保溫4h合成NBT陶瓷粉體。將BCTZ和NBT陶瓷粉體按照化學式0.55NBT-0.45BCTZ配料，用去 離子水作為球磨介質球磨7h混合均勻，然后在70°C下烘干，經造粒、成型后，在1150°C下保 溫4h燒結成瓷，高儲能密度陶瓷材料。
[0030] 實施例4
[0031] 一種高儲能密度陶瓷材料的制備方法，按照化學式Bao.ssCao.isZro.iTio. 9〇3 (BCTZ)，將碳酸鋇、碳酸鈣、二氧化鈦和氧化鋯混合均勻后在1270°C下保溫2h合成BCTZ陶瓷 粉體，按照化學式似〇.出丨〇.51103(他1')，將碳酸鈉、氧化鉍和二氧化鈦混合均勻后在840°(3下 保溫4h合成NBT陶瓷粉體。將BCTZ和NBT陶瓷粉體按照化學式0.45NBT-0.55BCTZ配料，用去 離子水作為球磨介質球磨8h混合均勻，然后在90°C下烘干，經造粒、成型后，在1160°C下保 溫3h燒結成瓷，高儲能密度陶瓷材料。
[0032]本發明按照化學式（l-x)NBT-xBCTZ經配料、球磨，干燥，造粒、成型、燒結等工藝制 備（l-x)NBT-xBCTZ陶瓷材料。采用固相法制備陶瓷材料具有成本低、產量大以及制備工藝 簡單等優點。本發明的制備工藝簡單，操作簡單、成本低，為大規模、低成本制備新型高儲能 密度陶瓷材料提供了基礎。
【主權項】
1. 一種高儲能密度陶瓷材料的制備方法，其特征在于，將BCTZ陶瓷粉體和NBT陶瓷粉體 按照化學式（l-x)NBT-xBCTZ配料，混合均勻后經造粒、成型后，在1150-1200°C下保溫2-4h 燒結成瓷，得到高儲能密度陶瓷材料;其中，X取值范圍為〇. 45-0.55。2. 根據權利要求1所述的一種高儲能密度陶瓷材料的制備方法，其特征在于，所述混合 均勻是通過球磨實現的。3. 根據權利要求2所述的一種高儲能密度陶瓷材料的制備方法，其特征在于，所述球磨 是以去離子水作為球磨介質。4. 根據權利要求2或3所述的一種高儲能密度陶瓷材料的制備方法，其特征在于，所述 球磨的時間為6-8h。5. 根據權利要求3所述的一種高儲能密度陶瓷材料的制備方法，其特征在于，混合均勻 后在70°C_90°C下烘干。6. 根據權利要求1所述的一種高儲能密度陶瓷材料的制備方法，其特征在于，所述BCTZ 陶瓷粉體通過以下方法制得:按照化學式Bao. 85Cao. 15Zr〇.iTio. 903 (BCTZ)在，將碳酸鋇、碳酸 鈣、二氧化鈦和氧化鋯混合均勻后在1270°C下保溫2h合成BCTZ陶瓷粉體。7. 根據權利要求1所述的一種高儲能密度陶瓷材料的制備方法，其特征在于，所述NBT 陶瓷粉體通過以下方法制得:按照化學式NaQ.5BiQ.5Ti03(NBT)，將碳酸鈉、氧化鉍和二氧化 鈦混合均勻后在840°C下保溫4h合成NBT陶瓷粉體。8. -種高儲能密度陶瓷材料，其特征在于，化學式為（l-x)NBT-xBCTZ，其中，X取值范圍 為0.45-0.55。
【專利摘要】一種高儲能密度陶瓷材料及制備方法，將BCTZ陶瓷粉體和NBT陶瓷粉體按照化學式(1-x)NBT-xBCTZ配料，混合均勻后經造粒、成型后，在1150-1200℃下保溫2-4h燒結成瓷，得到高儲能密度陶瓷材料；其中，x取值范圍為0.45-0.55。本發明采用傳統固相法制備的(1-x)NBT-xBCTZ，弛豫鐵電陶瓷材料的儲能密度高達0.66J/cm3，遠高于Ba0.4Sr0.6TiO3陶瓷材料的儲能密度。本發明的制備方法設備簡單、操作簡單、成本低、可大規模生產，為大規模、低成本制備高儲能密度陶瓷材料提供了基礎。
【IPC分類】C04B35/626, C04B35/49
【公開號】CN105439560
【申請號】CN201510874422
【發明人】蒲永平, 姚謀騰
【申請人】陜西科技大學
【公開日】2016年3月30日
【申請日】2015年12月2日