CN104710172A - 一种无铅反铁电高储能密度陶瓷材料及其制备方法 - Google Patents

一种无铅反铁电高储能密度陶瓷材料及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN104710172A
CN104710172A CN201510103499.3A CN201510103499A CN104710172A CN 104710172 A CN104710172 A CN 104710172A CN 201510103499 A CN201510103499 A CN 201510103499A CN 104710172 A CN104710172 A CN 104710172A
Authority
CN
China
Prior art keywords
energy storage
equal
storage density
preparation
powder
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201510103499.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN104710172B (zh
Inventor
周昌荣
许积文
黎清宁
袁昌来
曾卫东
陈国华
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Guilin University of Electronic Technology
Original Assignee
Guilin University of Electronic Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Guilin University of Electronic Technology filed Critical Guilin University of Electronic Technology
Priority to CN201510103499.3A priority Critical patent/CN104710172B/zh
Publication of CN104710172A publication Critical patent/CN104710172A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN104710172B publication Critical patent/CN104710172B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
  • Inorganic Insulating Materials (AREA)

Abstract

本发明公开了一种室温高压反铁电高储能密度无铅陶瓷介质材料及其制备方法，成分以通式(BixNay)AgzTi0.98-mO3-mBaTiO3-0.02SrZrO3+n(0.5MnO2-0.3La2O3-0.2Nb2O5)来表示，其中x、y、z、m、 n表示摩尔分数，x=0.48，0.49；y=(0.46-z)，(0.44-z)，(0.46-z)，(0.42-z)；x与y分别取值： x/y= 0.48/(0.46-z),0.48/(0.44-z),0.49/(0.46-z),0.49/(0.44-z),0.49/(0.42-z)；0.005≤z≤0.01；0.04≤m≤0.09；0.001≤n≤0.02。本发明采用纳米单晶颗粒BaTiO3粉体，通过两歩烧结，获得了多层芯壳结构，通过高场诱发反铁电相变，获得很高的储能密度及储能效率。本发明制备工艺简单、稳定，适合工业推广应用。本发明的陶瓷组成是一种绿色环保型储能陶瓷介质，耐压性好，损耗低，在脉冲高压电源领域具有很好的应用前景。

Description

一种无铅反铁电高储能密度陶瓷材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及介电储能陶瓷材料，具体是一种无铅反铁电高储能密度陶瓷材料及其制备方法。
背景技术
随着发展中国家经济增长加速，人类对能源需求日益增长，因此新能源的开发与存储成为今年来研究的一个热点。电介质电容器具有轻便、高效、环境友好、比功率高等特性，在电力电子系统中已经得到了广泛的应用。高储能密度、 高储能效率及快速存放电材料是高功率 密度大容量电容器的基础。多种电介质材料巳经被研究应用于高密度能量储存，按其铁电性能的不同一般分为铁电材料、反铁电材料和线性电介质材料。与铁电和线性介电材料相比， 反 铁电材料在电场作用下发生反铁电-铁电相变时总是伴随着巨大的能量存储与释放，有望在高功率大容量高压电容器中广泛应用。因此，反铁电材料是一种极具应用前景的未来高储能密度介电材料。
室温反铁电陶瓷常见报道的是PbZrO3铅基材料，或者高温态无铅Bi0.5Na0.5TiO3基陶瓷材料。目前，室温无铅反铁电高储能密度Bi0.5Na0.5TiO3基陶瓷材料及其制备方法还鲜见报道。
本发明通过调控Bi0.5Na0.5TiO3-BaTiO3基陶瓷材料的化学组成，结合制备方法调控梯度微观结构，即多层芯壳结构，铁电相-非遍历弛豫铁电相-遍历弛豫铁电相-顺电相梯度共存，利用高场下铁电相带动非遍历弛豫铁电相+遍历弛豫铁电相+顺电相梯度项铁电转变，实现了无铅陶瓷材料室温反铁电态高储能密度、又高耐压高储能效率，这类反铁电陶瓷性能优良，制备技术简单。目前还未见室温反铁电高储能密度高压无铅Bi0.5Na0.5TiO3-BaTiO3基陶瓷介质材料及类似的制备方法的报道。
发明内容
本发明的目的是要提供室温高压反铁电高储能密度高压无铅陶瓷介质及其制备方法，这种室温反铁电陶瓷具有优异的储能密度及放电效率，储能密度可达1.8J/cm3，储能效率可达55%，环境友好、损耗低、实用性好。
实现本发明目的的技术方案是：
一种室温高压反铁电高储能密度无铅陶瓷介质材料，其配方为：
(Bi x Na y )Ag z Ti0.98-m O3-mBaTiO3-0.02SrZrO3+n(0.5MnO2-0.3La2O3-0.2Nb2O5)
其中x、y、z、m、n表示摩尔分数，x=0.48或0.49；y=(0.46-z)，(0.44-z)，(0.46-z)，(0.42-z)；x与y分别取值： x/y=0.48/(0.46-z),   0.48/(0.44-z),   0.49/(0.46-z),   0.49/(0.44-z),  0.49/(0.42-z)；0.005≤z≤0.01；0.04≤m≤0.09；0.001≤n≤0.02
本发明高压反铁电高储能密度无铅陶瓷介质的制备方法，包括如下步骤：
（1）    将电子级原料Bi2O3、Na2CO3、SrCO3、Ag2O、ZrO2和TiO2按照化学式：
(Bi x Na y )Ag z Ti0.98-m O3-0.02SrZrO3进行配料，
其中x、y、z、m表示摩尔分数，x=0.48或0.49；y=(0.46-z)，(0.44-z)，(0.46-z)，(0.42-z)；x与y分别取值：x/y= 0.48/(0.46-z),   0.48/(0.44-z),   0.49/(0.46-z),   0.49/(0.44-z),  0.49/(0.42-z)；0.005≤z≤0.01；0.04≤m≤0.09.
以无水乙醇为介质球磨24小时，干燥后在坩埚中以900°C保温2小时合成化合物(Bi x Na y )Ag z Ti0.98-m O3-0.02SrZrO3粉末；
（2）将(Bi x Na y )Ag z Ti0.98-m O3-0.02SrZrO3粉末和纳米单晶颗粒BaTiO3粉体以及MnO2、La2O3、Nb2O5粉末按照化学式：
(Bi x Na y )Ag z Ti0.98-m O3-mBaTiO3-0.02SrZrO3+n(0.5MnO2-0.3La2O3-0.2Nb2O5) 进行配料，
其中x、y、z、m、 n表示摩尔分数，x=0.48，0.49；y=(0.46-z)，(0.44-z)，(0.46-z)，(0.42-z)；x与y分别取值：x/y= 0.48/(0.46-z),   0.48/(0.44-z),   0.49/(0.46-z),   0.49/(0.44-z),  0.49/(0.42-z)；0.005≤z≤0.01；0.04≤m≤0.09；0.001≤n≤0.02。
（3）以无水乙醇为介质二次球磨6小时，置于红外线下干燥后加入5%(重量百分比)浓度的PVA溶液造粒，压制成型圆片。
（4）成型后的圆片在空气中烧结，第一步烧结温度1150-1200°C，保温时间5分钟，第二步降温到1120°C，保温时间12小时；
（5）样品加工成两面光滑、厚度约0.3mm的薄片，披银电极，然后测试储能特性与电性能。
本发明通过成分调节，在原料中采用纳米单晶BaTiO3颗粒粉体，结合两歩烧结，控梯度微观结构，获得多层芯壳结构，利用高场下铁电相带动非遍历弛豫铁电相+遍历弛豫铁电相+顺电相梯度向铁电转变，实现了无铅陶瓷材料室温反铁电态高储能密度、又高耐压高储能效率。本发明制备工艺简单、稳定，适合工业推广应用。本发明的陶瓷组成是一种绿色环保型陶瓷，储能密度可达1.8 J/cm3，储能效率可达55%，损耗低。
附图说明
图1为本发明陶瓷材料的电滞回线。
具体实施方式
实施例1：
制备成分为：(Bi x Na y )Ag z Ti0.98-m O3-mBaTiO3-0.02SrZrO3+n(0.5MnO2-0.3La2O3-0.2Nb2O5)的高压反铁电高储能密度无铅陶瓷介质，其中x、y、z、m、n表示摩尔分数，其中x=0.48；y=0.455；z=0.005； m=0.05；n =0.001
制备方法包括如下步骤：
(1) 将电子级原料Bi2O3、Na2CO3、SrCO3、Ag2O、ZrO2和TiO2按照化学式：
(Bi x Na y )Ag z Ti0.98-m O3-0.02SrZrO3进行配料，
其中x、y、z、m表示摩尔分数，x=0.48；y=0.455；z=0.005；m=0.05.
以无水乙醇为介质球磨24小时，干燥后在坩埚中以900°C保温2小时合成化合物(Bi x Na y )Ag z Ti0.98-m O3-0.02SrZrO3粉末；
(2) 将合成的(Bi x Na y )Ag z Ti0.98-m O3-0.02SrZrO3粉末和纳米单晶颗粒BaTiO3粉体以及MnO2、La2O3、Nb2O5粉末按照化学式：
(Bi x Na y )Ag z Ti0.98-m O3-mBaTiO3-0.02SrZrO3+n(0.5MnO2-0.3La2O3-0.2Nb2O5) 进行配料，
其中x、y、z、m、n表示摩尔分数，其中x=0.48；y=0.455；z=0.005；m=0.05；n =0.001。
(3) 以无水乙醇为介质二次球磨6小时，置于红外线下干燥后加入5%(重量百分比)浓度的PVA溶液造粒，压制成型圆片。
4. 成型后的圆片在空气中烧结，第一步烧结温度1180°C，保温时间5分钟，然后第二步降温到1120°C，保温时间12小时；
5. 样品加工成两面光滑、厚度约0.3mm的薄片，披银电极，然后测试储能特性与电性能。
性能如表1所示。
实施例2：
制备成分为：(Bi x Na y )Ag z Ti0.98-m O3-mBaTiO3-0.02SrZrO3+n(0.5MnO2-0.3La2O3-0.2Nb2O5) 的高压反铁电高储能密度无铅陶瓷介质，其中x、y、z、m、 n表示摩尔分数，其中x=0.49；y=0.41； z=0.01； m=0.09；n =0.018。
制备方法同实施例1，不同的是，第一步烧结温度1200°C。
性能如表1所示。
实施例3：
制备成分为：(Bi x Na y )Ag z Ti0.98-m O3-mBaTiO3-0.02SrZrO3+n(0.5MnO2-0.3La2O3-0.2Nb2O5)的高压反铁电高储能密度无铅陶瓷介质，其中x、y、z、m、n表示摩尔分数，其中x=0.48；y=0.434； z=0.006；m=0.06；n =0.01。
制备方法同实施例1，不同的是，第一步烧结温度1160°C。
性能如表1所示。
实施例4：
制备成分为：(Bi x Na y )Ag z Ti0.98-m O3-mBaTiO3-0.02SrZrO3+n(0.5MnO2-0.3La2O3-0.2Nb2O5) 的高压反铁电高储能密度无铅陶瓷介质，其中x、y、z、m、 n表示摩尔分数，其中x=0.49；y=0.453； z=0.007； m=0.07；n =0.012。
制备方法同实施例1，不同的是，第一步烧结温度1150°C。
性能如表1所示。
实施例5：
制备成分为：(Bi x Na y )Ag z Ti0.98-m O3-mBaTiO3-0.02SrZrO3+n(0.5MnO2-0.3La2O3-0.2Nb2O5)的高压反铁电高储能密度无铅陶瓷介质，其中x、y、z、m、 n表示摩尔分数，其中x=0.49；y=0.414； z=0.006； m=0.06；n =0.015。
制备方法同实施例1，不同的是，第一步烧结温度1170°C。
性能如表1所示。
实施例6：
制备成分为：(Bi x Na y )Ag z Ti0.98-m O3-mBaTiO3-0.02SrZrO3+n(0.5MnO2-0.3La2O3-0.2Nb2O5)的高压反铁电高储能密度无铅陶瓷介质，其中x、y、z、m、 n表示摩尔分数，其中x=0.48；y=0.435； z=0.005； m=0.06；n =0.017。
制备方法同实施例1，不同的是，第一步烧结温度1190°C。
性能如表1所示。
实施例7：
制备成分为：(Bi x Na y )Ag z Ti0.98-m O3-mBaTiO3-0.02SrZrO3+n(0.5MnO2-0.3La2O3-0.2Nb2O5)的高压反铁电高储能密度无铅陶瓷介质，其中x、y、z、m、 n表示摩尔分数，其中x=0.49；y=0.453；z=0.007；m=0.08；n =0.016。
制备方法同实施例1。
性能如表1所示。
实施例8：
制备成分为：(Bi x Na y )Ag z Ti0.98-m O3-mBaTiO3-0.02SrZrO3+n(0.5MnO2-0.3La2O3-0.2Nb2O5)的高压反铁电高储能密度无铅陶瓷介质，其中x、y、z、m、 n表示摩尔分数，其中x=0.48；y=0.432； z=0.008； m=0.06；n =0.015。
制备方法同实施例1。
表1 实施例样品的电性能
样品 储能密度w(J/cm3) 储能效率η(%) 介电损耗tanδ(%) 击穿强度E(kV/cm)
实施例1 1.80 55 0.12 112
实施例2 1.76 52 0.16 115
实施例3 1.29 42 0.22 126
实施例4 1.0 49 0.18 120
实施例5 1.78 55 0.16 103
实施例6 1.69 53 0.14 96
实施例7 1.21 50 0.13 117
实施例8 1.62 51 0.13 119
通过上面给出的实施例，可以进一步清楚的了解本发明的内容，但它们不是对本发明的限定。

Claims (3)

1.一种室温高压反铁电高储能密度无铅陶瓷，其特征是：组成通式为：
 (Bi x Na y )Ag z Ti0.98-m O3-mBaTiO3-0.02SrZrO3+n(0.5MnO2-0.3La2O3-0.2Nb2O5)
其中x、y、z、m、n表示摩尔分数，x=0.48，0.49；y=(0.46-z)，(0.44-z)，(0.46-z)，(0.42-z)；x与y分别取值：x/y= 0.48/(0.46-z),   0.48/(0.44-z),   0.49/(0.46-z),   0.49/(0.44-z),  0.49/(0.42-z)；0.005≤z≤0.01；0.04≤m≤0.09；0.001≤n≤0.02。
2.如权利要求1的高压反铁电高储能密度无铅陶瓷，其特征是：配方中的组成BaTiO3采用纳米单晶颗粒粉体。
3.如权利要求1与2的高压反铁电高储能密度无铅陶瓷的制备方法，其特征是包含以下步骤：
（1）将电子级原料Bi2O3、Na2CO3、SrCO3、Ag2O、ZrO2和TiO2按照化学式：
(Bi x Na y )Ag z Ti0.98-m O3-0.02SrZrO3进行配料，
其中x、y、z、m表示摩尔分数，x=0.48或0.49；y=(0.46-z)，(0.44-z)，(0.46-z)，(0.42-z)；x与y分别取值：x/y= 0.48/(0.46-z), 0.48/(0.44-z),   0.49/(0.46-z),  0.49/(0.44-z),  0.49/(0.42-z)；0.005≤z≤0.01；0.04≤m≤0.09.
以无水乙醇为介质球磨24小时，干燥后在坩埚中以900°C保温2小时合成化合物(Bi x Na y )Ag z Ti0.98-m O3-0.02SrZrO3粉末；
（2）将合成的(Bi x Na y )Ag z Ti0.98-m O3-0.02SrZrO3粉末和纳米单晶颗粒BaTiO3粉体以及MnO2、La2O3、Nb2O5粉末按照化学式：
(Bi x Na y )Ag z Ti0.98-m O3-mBaTiO3-0.02SrZrO3+n(0.5MnO2-0.3La2O3-0.2Nb2O5) 进行配料，其中x、y、z、m、 n表示摩尔分数，x=0.48，0.49；y=(0.46-z)，(0.44-z)，(0.46-z)，(0.42-z)；x与y分别取值：x/y= 0.48/(0.46-z), 0.48/(0.44-z),  0.49/(0.46-z), 0.49/(0.44-z), 0.49/(0.42-z)；0.005≤z≤0.01；0.04≤m≤0.09；0.001≤n≤0.02；
（3）以无水乙醇为介质二次球磨6小时，置于红外线下干燥后加入5%(重量百分比)浓度的PVA溶液造粒，压制成型圆片；
（4）成型后的圆片在空气中烧结，第一步烧结温度1150-1200°C，保温时间5分钟，第二步降温到1120°C，保温时间12小时；
（5）样品加工成两面光滑、厚度约0.3mm的薄片，披银电极即成。
CN201510103499.3A 2015-03-10 2015-03-10 一种无铅反铁电高储能密度陶瓷材料及其制备方法 Expired - Fee Related CN104710172B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510103499.3A CN104710172B (zh) 2015-03-10 2015-03-10 一种无铅反铁电高储能密度陶瓷材料及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510103499.3A CN104710172B (zh) 2015-03-10 2015-03-10 一种无铅反铁电高储能密度陶瓷材料及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN104710172A true CN104710172A (zh) 2015-06-17
CN104710172B CN104710172B (zh) 2017-03-29

Family

ID=53409972

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201510103499.3A Expired - Fee Related CN104710172B (zh) 2015-03-10 2015-03-10 一种无铅反铁电高储能密度陶瓷材料及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN104710172B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112062559A (zh) * 2020-08-11 2020-12-11 同济大学 一种反铁电陶瓷材料及其低温烧结方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1456531A (zh) * 2003-06-05 2003-11-19 中国科学院上海硅酸盐研究所 离子掺杂的钛酸铋钠－钛酸钡体系压电陶瓷及其制备方法
CN1587197A (zh) * 2004-09-21 2005-03-02 武汉理工大学 钛酸锶基储能介质陶瓷及制备方法
CN1814570A (zh) * 2005-02-01 2006-08-09 四川大学 钛酸铋钠钾锂银系无铅压电陶瓷
CN102173790A (zh) * 2011-01-13 2011-09-07 上海交通大学 无铅反铁电陶瓷材料及其制备方法和应用

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1456531A (zh) * 2003-06-05 2003-11-19 中国科学院上海硅酸盐研究所 离子掺杂的钛酸铋钠－钛酸钡体系压电陶瓷及其制备方法
CN1587197A (zh) * 2004-09-21 2005-03-02 武汉理工大学 钛酸锶基储能介质陶瓷及制备方法
CN1814570A (zh) * 2005-02-01 2006-08-09 四川大学 钛酸铋钠钾锂银系无铅压电陶瓷
CN102173790A (zh) * 2011-01-13 2011-09-07 上海交通大学 无铅反铁电陶瓷材料及其制备方法和应用

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112062559A (zh) * 2020-08-11 2020-12-11 同济大学 一种反铁电陶瓷材料及其低温烧结方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN104710172B (zh) 2017-03-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Yang et al. A novel lead-free ceramic with layered structure for high energy storage applications
Wang et al. High recoverable energy storage density and large energy efficiency simultaneously achieved in BaTiO3–Bi (Zn1/2Zr1/2) O3 relaxor ferroelectrics
CN109354492B (zh) 铋基无铅高储能密度陶瓷材料及其制备方法
CN111763082B (zh) 一种钛酸锶钡基介质陶瓷材料及其制备方法和应用
CN104671766A (zh) 一种高温无铅压电与介电储能陶瓷及其制备方法
CN101781115B (zh) X8r型多层陶瓷电容器介质材料及制备方法
CN104710174B (zh) 一种同时具备高压电性能与高储能密度无铅陶瓷及其制备方法
CN105732020B (zh) 一种巨介电、低损耗二氧化钛基复合陶瓷的制备方法
CN104402425B (zh) 一种低损耗铁酸铋-钛酸钡基压电陶瓷的制备方法
CN106915960B (zh) 一种无铅高储能密度和储能效率陶瓷材料及其制备方法
CN102795852A (zh) 一种新型ltcc低频介质陶瓷电容器材料
CN104446468A (zh) 一种x9r型陶瓷电容器介质材料及其制备方法
CN109553411B (zh) 一种高击穿场强钛酸铜锶钙介电陶瓷材料及其制备方法
CN103408301A (zh) 一种超高压陶瓷电容器介质及其制备方法
CN113831121A (zh) 一种高击穿场强的复相巨介电陶瓷材料及其制备方法
CN110668816A (zh) 一种钨青铜结构的无铅储能介质陶瓷材料及其制备方法
CN110128128B (zh) 一种具有零温度系数及高温稳定性的铁酸铋-铝酸铋-锌钛酸铋高温压电陶瓷及其制备方法
CN106187189B (zh) 一种储能微波介质陶瓷材料及其制备方法
CN103113100B (zh) 一种高温度稳定陶瓷电容器介质
CN103880416B (zh) 钛酸铋钠基无铅压电陶瓷的低温烧结制备方法
CN113620702A (zh) 一种Yb3+掺杂的巨介电常数低损耗陶瓷及其制备方法
CN108863349A (zh) 一种钛酸钡基无铅高介温度稳定型陶瓷材料及其制备方法
CN105174943B (zh) 一种介电储能陶瓷及其制备方法
CN104710172A (zh) 一种无铅反铁电高储能密度陶瓷材料及其制备方法
CN108727013B (zh) 一种超低介电损耗高介电常数陶瓷介电材料及其制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20170329

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee