CN105198409B - 一种高储能密度钛酸锶钡基玻璃复相陶瓷的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高储能密度钛酸锶钡基玻璃复相陶瓷的制备方法，该方法首先将原料BaCO3，SrCO3和TiO2按Ba0.4Sr0.6TiO3化学式配料，制得Ba0.4Sr0.6TiO3粉料；其次将原料SiO2，Al2O3，B2O3，ZnO，K2O按照质量比57:17:15:9:2进行配料，制得玻璃，研磨后制得玻璃粉末；然后将Ba0.4Sr0.6TiO3粉料与玻璃粉末按质量比(100‑x)：x进行配料，制得陶瓷粉料；最后将陶瓷粉料装入模具，利用放电等离子烧结系统在真空环境中1000℃进行烧结，制得陶瓷烧结体，热处理后，制得高储能密度钛酸锶钡复相陶瓷。本发明方法制备的高储能密度钛酸锶钡基玻璃复相陶瓷，储能密度提高和介电击穿场强大幅提高，可用于高密度储能电容器等元器件，在大功率和脉冲功率领域有着极大的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及储能电容器用介质材料技术领域，尤其涉及一种高储能密度复相电介质陶瓷的制备方法。
背景技术
电介质电容器以其超高的功率密度，极其适合应用于功率波动快速且不稳定的领域,其储能方式是将电能以电容器对极板间的富集电荷电势场的形式储存。与传统的燃料电池、锂电池相比，电介质储能电容器的特点是响应速度快、功率密度高、使用寿命长、全固态安全结构、使用温度范围广等，在大功率和脉冲功率器件中有着非常广泛的应用。探索具有高介电常数、高介电击穿场强和低介电损耗的介电材料作为储能电容器用介质材料，是提高储能密度、实现器件小型化的关键。在储能方面，较低的介电损耗、较高的介电常数和击穿场强，使得钛酸锶钡陶瓷在储能领域受到广泛关注。但较低的击穿场强制约了其性能，可以通过复合第二相来实现对钛酸锶钡介质材料的改性。
申请号为201110046717.6的中国专利公开了一种钛酸锶钡基储能介质陶瓷的制备方法，其步骤如下：(1)BST陶瓷细粉的制备；(2)玻璃料的制备；(3)按各原料所占体积百分数为：BST陶瓷细粉80～99％、玻璃料1～20％，选取上述BST陶瓷细粉和玻璃料；BST陶瓷细粉中加入玻璃料，用氧化锆和无水乙醇球磨24～36h，烘干制得陶瓷-玻璃混合粉末，加入粘结剂造粒，粘结剂的加入量为陶瓷-玻璃混合粉末质量的3～5％，压片得到生坯片；生坯片在600℃下保温2h排胶，冷却至室温，最后在升温速率为2～4℃/min，1050～1280℃下保温2～4h，得到钛酸锶钡基储能介质陶瓷。该方法制备的储能介质陶瓷，测得介电常数为380，击穿强度28.0kV/mm，有效储能密度为1.50J/cm3。
上述专利通过在钛酸锶钡陶瓷中添加玻璃相，使陶瓷的介电击穿强度提高，从而获得了较高的储能密度。但添加了此玻璃相的钛酸锶钡复相陶瓷的介电常数下降明显，因此如何通过调整玻璃相配方和改进制备工艺，在大幅度提高陶瓷介电击穿强度的同时，降低烧结温度，优化微观结构，并仍旧保持适中的介电常数，获得较大的储能密度，是制备高储能密度电容器的关键所在。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提高一种高储能密度钛酸锶钡基玻璃复相陶瓷的制备方法，利用该方法制备的复相陶瓷在室温下最大储能密度可达2.00J/cm3。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种高储能密度钛酸锶钡基玻璃复相陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
(1)将原料BaCO3，SrCO3和TiO2按Ba0.4Sr0.6TiO3化学式配料，研磨至粒径为100nm～500nm后烘干，过筛；
(2)将步骤(1)制得的粉料1150℃煅烧3小时后，过筛，制得Ba0.4Sr0.6TiO3粉料；
(3)将原料SiO2，Al2O3，B2O3，ZnO，K2O按照质量比57:17:15:9:2进行配料，研磨后烘干，过筛；
(4)将步骤(3)制得的粉料1550℃熔融0.5小时后，倒入去离子中迅速冷却，制得玻璃；
(5)将步骤(4)制得的玻璃研磨至粒径为100nm～500nm后烘干，过筛，制得玻璃粉末；
(6)将步骤(2)制得的Ba0.4Sr0.6TiO3粉料与步骤(5)制得的玻璃粉末按质量比(100-x)：x进行配料，研磨后烘干，过筛，制得陶瓷粉料；
(7)将步骤(6)制得的陶瓷粉料装入模具，利用放电等离子烧结系统在真空环境中1000℃进行烧结，制得陶瓷烧结体；
(8)空气气氛下，将步骤(7)制得的陶瓷烧结体1000℃热处理3小时，制得所述高储能密度钛酸锶钡复相陶瓷。
进一步地，步骤(1)、(3)、(5)、(6)中，研磨的方法为：将原料放入球磨罐，加入氧化锆球和去离子水进行球磨。
进一步地，步骤(6)中，Ba0.4Sr0.6TiO3粉料与玻璃粉末的质量比(100-x)：x，x＝1.5～5。
进一步地，步骤(6)中，Ba0.4Sr0.6TiO3粉料与玻璃粉末的质量比(100-x)：x，x＝1.5、3或5。
本发明通过采用放电等离子烧结方法，提高复相陶瓷的介电击穿强度，从而提高复相陶瓷的储能密度。
在制备前，原料需要研磨至一定的细度，研磨时，可将原料放入球磨罐，加入氧化锆球和去离子水中进行球磨。
本发明的有益效果在于：采用本发明的制备方法，将Ba0.4Sr0.6TiO3粉料与玻璃粉末按质量比95：5配比时制得的复相陶瓷在室温下介电击穿场强达到440kV/cm，而采用放电等离子烧结方法制备的纯Ba0.4Sr0.6TiO3电介质陶瓷的介电击穿场强仅为230kV/cm，介电击穿场强提高了91％以上；此时，放电等离子烧结温度为1000℃，而采用放电等离子烧结方法制备的纯Ba0.4Sr0.6TiO3电介质陶瓷烧结温度为1050℃，烧结温度降低了4％以上；制得的复相陶瓷在室温下储能密度达到了2.00J/cm3，而采用放电等离子烧结方法制备的纯Ba0.4Sr0.6TiO3电介质陶瓷的储能密度仅为1.28J/cm3左右，储能密度提高了56％以上。本发明制备的高储能密度钛酸锶钡基玻璃复相陶瓷，可用于高密度储能电容器等元器件，在大功率和脉冲功率领域有着极大的应用价值。
附图说明
图1为钛酸锶钡基玻璃复相陶瓷样品的XRD衍射图谱；
图2为钛酸锶钡基玻璃复相陶瓷样品的断面SEM照片，放大倍数为20k：(a)Ba0.4Sr0.6TiO3(对比例1)；(b)98.5wt.％Ba0.4Sr0.6TiO3–1.5wt.％玻璃(实施例1)；(c)97wt.％Ba0.4Sr0.6TiO3–3wt.％玻璃(实施例2)；(d)95wt.％Ba0.4Sr0.6TiO3–5wt.％玻璃(实施例3)；
图3为钛酸锶钡基玻璃复相陶瓷样品在不同频率下的介电常数和介电损耗随温度的变化曲线：(a)、(b)Ba0.4Sr0.6TiO3(对比例1)；(c)、(d)98.5wt.％Ba0.4Sr0.6TiO3–1.5wt.％玻璃(实施例1)；(e)、(f)97wt.％Ba0.4Sr0.6TiO3–3wt.％玻璃(实施例2)；(g)(h)95wt.％Ba0.4Sr0.6TiO3–5wt.％玻璃(实施例3)；
图4钛酸锶钡基玻璃复相陶瓷样品室温60Hz时最高电场强度下的电滞回线：(a)Ba0.4Sr0.6TiO3(对比例1)；(b)98.5wt.％Ba0.4Sr0.6TiO3–1.5wt.％玻璃(实施例1)；(c)97wt.％Ba0.4Sr0.6TiO3–3wt.％玻璃(实施例2)；(d)95wt.％Ba0.4Sr0.6TiO3–5wt.％玻璃(实施例3)。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步阐释本发明。
实施例1
(1)将BaCO3，SrCO3和TiO2原料粉末分别按Ba0.4Sr0.6TiO3化学式称量配料；
(2)将步骤(1)配制好的化学原料放入球磨罐，加入氧化锆球和去离子水中球磨24小时(粒径为100nm～500nm)，将球磨后的粉料在干燥箱中烘干后120目过筛。将制得的粉料1150℃煅烧3小时后，过120目筛，制得Ba0.4Sr0.6TiO3粉料；
(3)将玻璃的原料SiO2，Al2O3，B2O3，ZnO，K2O按照质量比57:17:15:9:2进行配料，研磨后烘干，过筛；在1550℃温度下熔融0.5小时后，倒入去离子中迅速冷却制得玻璃；随后将玻璃研磨至粒径为100nm～500nm后烘干，过筛，制得玻璃粉末；
(4)将步骤(2)制得的Ba0.4Sr0.6TiO3粉料与步骤(3)制得的玻璃粉末按质量比98.5：1.5进行配料，研磨后烘干，120目过筛，制得陶瓷粉料；
(5)将步骤(4)制得的陶瓷粉料装入直径为10mm的石墨模具，放入放电等离子烧结系统在1000℃、30MPa机械压力下烧结5分钟。从室温到900℃的升温速率为100℃/min，从900℃到980℃升温速率为40℃/min，980℃到1000℃升温速率为20℃/min，1000℃保温5min，烧结完成后，卸去压力并随炉冷。
SPS烧结原理：SPS利用直流脉冲电流直接进行通电加压烧结，通过调节直流脉冲电流的功率大小来控制升温速率。整个烧结过程既可在真空环境下进行，也以在保护气氛中进行。脉冲电流直接作用于样品及模具上，快速发热，快速传热，快速升温，大幅缩短样品烧结时间
(6)将步骤(5)制得的陶瓷样品在磨去粘附的石墨纸后在空气中1000℃下热处理3小时。从室温到1000℃的升温速率为5℃/min，1000℃保温3h，处理完成后随炉冷。并在空气气氛下，将其在1000℃下热处理3小时得到具有高储能密度的98.5wt.％Ba0.4Sr0.6TiO3–1.5wt.％玻璃复相陶瓷。
实施例2
(1)将BaCO3，SrCO3和TiO2原料粉末分别按Ba0.4Sr0.6TiO3化学式称量配料；
(2)将步骤(1)配制好的化学原料放入球磨罐，加入氧化锆球和去离子水中球磨24小时(粒径为100nm～500nm)，将球磨后的粉料在干燥箱中烘干后120目过筛。将制得的粉料1150℃煅烧3小时后，过120目筛，制得Ba0.4Sr0.6TiO3粉料；
(3)将玻璃的原料SiO2，Al2O3，B2O3，ZnO，K2O按照质量比57:17:15:9:2进行配料，研磨后烘干，过筛；在1550℃温度下熔融0.5小时后，倒入去离子中迅速冷却制得玻璃；随后将玻璃研磨至粒径为100nm～500nm后烘干，过筛，制得玻璃粉末；
(4)将步骤(2)制得的Ba0.4Sr0.6TiO3粉料与步骤(3)制得的玻璃粉末按质量比97：3进行配料，研磨后烘干，120目过筛，制得陶瓷粉料；
(5)将步骤(4)制得的粉末装入直径为10mm的石墨模具，放入放电等离子烧结系统在1000℃、30MPa机械压力下烧结5分钟。从室温到900℃的升温速率为100℃/min，从900℃到980℃升温速率为40℃/min，980℃到1000℃升温速率为20℃/min，1000℃保温5min，烧结完成后，卸去压力并随炉冷。
(6)将步骤(5)制得的陶瓷样品在磨去粘附的石墨纸后在空气中1000℃下热处理3小时。从室温到1000℃的升温速率为5℃/min，1000℃保温3h，处理完成后随炉冷。并在空气气氛下，将其在1000℃下热处理3小时得到具有高储能密度的97wt.％Ba0.4Sr0.6TiO3–3wt.％玻璃复相陶瓷。
实施例3
(1)将BaCO3，SrCO3和TiO2原料粉末分别按Ba0.4Sr0.6TiO3化学式称量配料；
(2)将步骤(1)配制好的化学原料放入球磨罐，加入氧化锆球和去离子水中球磨24小时(粒径为100nm～500nm)，将球磨后的粉料在干燥箱中烘干后120目过筛。将制得的粉料1150℃煅烧3小时后，过120目筛，制得Ba0.4Sr0.6TiO3粉料；
(3)将玻璃的原料SiO2，Al2O3，B2O3，ZnO，K2O按照质量比57:17:15:9:2进行配料，研磨后烘干，过筛；在1550℃温度下熔融0.5小时后，倒入去离子中迅速冷却制得玻璃；随后将玻璃研磨至粒径为100nm～500nm后烘干，过筛，制得玻璃粉末；
(4)将步骤(2)制得的Ba0.4Sr0.6TiO3粉料与步骤(3)制得的玻璃粉末按质量比95：5进行配料，研磨后烘干，120目过筛，制得陶瓷粉料；
(5)将步骤(4)制得的粉末装入直径为10mm的石墨模具，放入放电等离子烧结系统在1000℃、30MPa机械压力下烧结5分钟。从室温到900℃的升温速率为100℃/min，从900℃到980℃升温速率为40℃/min，980℃到1000℃升温速率为20℃/min，1000℃保温5min，烧结完成后，卸去压力并随炉冷。
(6)将步骤(5)制得的陶瓷样品在磨去粘附的石墨纸后在空气中1000℃下热处理3小时。从室温到1000℃的升温速率为5℃/min，1000℃保温3h，处理完成后随炉冷。并在空气气氛下，将其在1000℃下热处理3小时得到具有高储能密度的95wt.％Ba0.4Sr0.6TiO3–5wt.％玻璃复相陶瓷。
对比例1
提供纯Ba0.4Sr0.6TiO3陶瓷的放电等离子烧结制备过程：
(1)将BaCO3，SrCO3和TiO2原料粉末分别按Ba0.4Sr0.6TiO3化学式称量配料；
(2)将步骤(1)配制好的化学原料放入球磨罐，加入氧化锆球和去离子水球磨24小时(粒径为100nm～500nm)，将球磨后的粉料在干燥箱中烘干后120目过筛。随后在1150℃煅烧3小时后再次120目过筛；
(3)将步骤(2)制得的粉末装入直径为10mm的石墨模具，放入放电等离子烧结系统在1050℃、30MPa机械压力下烧结5分钟。从室温到950℃的升温速率为100℃/min，从950℃到1030℃升温速率为40℃/min，1030℃到1050℃升温速率为20℃/min，1050℃保温5min，烧结完成后，卸去压力并随炉冷。
(4)将步骤(3)制得的陶瓷样品在磨去粘附的石墨纸后在空气中1000℃下热处理3小时。从室温到1000℃的升温速率为5℃/min，1000℃保温2h，处理完成后随炉冷，得到Ba0.4Sr0.6TiO3陶瓷。
将实施例1～3和对比例1制备得到的圆柱形电介质陶瓷样品用砂纸磨至0.20mm厚度，表面喷上金电极后，利用铁电分析仪测量其60Hz频率
下的电滞回线，利用积分法计算其储能密度。
表1
表1示出了利用本发明的制备方法制得的(100-x)wt.％Ba0.4Sr0.6TiO3–x wt.％玻璃(x＝1.5,3,5)复相陶瓷和利用放电等离子烧结方法制备的Ba0.4Sr0.6TiO3陶瓷在室温、60Hz频率下的介电击穿强度和储能密度，由表1可知，本发明制得的高储能密度钛酸锶钡基玻璃复相陶瓷在室温下最高储能密度为2.00J/cm3，而利用放电等离子烧结方法制备的纯Ba0.4Sr0.6TiO3陶瓷的室温下储能密度仅为1.28J/cm3。
从图2，3，4可以看出，添加玻璃相后，复合陶瓷的击穿场强、储能密度显著提高。相比于纯钛酸锶钡陶瓷，添加了质量分数为1.5％、3％、5％的玻璃相后，击穿场强从230kV/cm增大到300kV/cm、320kV/cm、440kV/cm。因此其储能密度也相应提高，在添加量为5％时达到最高为2.00J/cm3，较纯钛酸锶钡陶瓷提高了56％。
Claims (3)
1.一种高储能密度钛酸锶钡基玻璃复相陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将原料BaCO3，SrCO3和TiO2按Ba0.4Sr0.6TiO3化学式配料，研磨至粒径为100nm～500nm后烘干，过筛；
(2)将步骤(1)制得的粉料1150℃煅烧3小时后，过筛，制得Ba0.4Sr0.6TiO3粉料；
(3)将原料SiO2，Al2O3，B2O3，ZnO，K2O按照质量比57:17:15:9:2进行配料，研磨后烘干，过筛；
(4)将步骤(3)制得的粉料1550℃熔融0.5小时后，倒入去离子中迅速冷却，制得玻璃；
(5)将步骤(4)制得的玻璃研磨至粒径为100nm～500nm后烘干，过筛，制得玻璃粉末；
(6)将步骤(2)制得的Ba0.4Sr0.6TiO3粉料与步骤(5)制得的玻璃粉末按质量比(100-x)：x进行配料，研磨后烘干，过筛，制得陶瓷粉料；x＝1.5～5；
(7)将步骤(6)制得的陶瓷粉料装入模具，利用放电等离子烧结系统在真空环境中1000℃进行烧结，制得陶瓷烧结体；
(8)空气气氛下，将步骤(7)制得的陶瓷烧结体1000℃热处理3小时，制得所述高储能密度钛酸锶钡复相陶瓷。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)、(3)、(5)、(6)中，研磨的方法为：将原料放入球磨罐，加入氧化锆球和去离子水进行球磨。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(6)中，Ba0.4Sr0.6TiO3粉料与玻璃粉末的质量比(100-x)：x，x＝1.5、3或5。
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