CN105254296B - 一种无铅高储能铁电材料及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无铅高储能铁电材料及其应用，目的在于解决现有的铁电陶瓷主要为强污染的PZT体系材料，而鲜有其他可用于高压换能的铁电材料的问题。该无铅高储能铁电材料的化学式为(1‑x)(Bi0.5Na0.5)TiO3‑xBiAlO3，x为0.01~0.09。本发明的无铅高储能铁电材料在直流外电场的作用下能极化储存电荷能量，而极化后在高压冲击作用下，能释放出发大电流的脉冲信号。本发明开发一种新的铁电陶瓷材料的储能应用，对于冲击放电材料的认知是全新的拓展，具有重要的意义和较好的应用前景。

Description

一种无铅高储能铁电材料及其应用
技术领域
本发明涉及材料领域，尤其是铁电材料领域，具体为一种无铅高储能铁电材料及其应用。本发明提供了一种新的冲击放电材料，是对于冲击放电材料认知的全新拓展。
背景技术
铁电陶瓷是一种大能量的机-电转换材料，其在前期通过外电场极化储存电荷能量，之后施加应力，将材料的铁电相转变成反铁电相或者顺电相，在相变过程中释放出电荷能量。图1中给出了冲击波压缩PZT铁电陶瓷铁电-反铁电相变(FE→AFE)示意图。因此，利用铁电陶瓷的极化储能-相变放能性质，可以制作出高功率、大电流和高电压的脉冲电源。此项技术在工业领域有着非常重要的应用。
目前，在工业领域，应用最为广泛的铁电材料为PZT铁电陶瓷。PZT铁电陶瓷工作原理为：利用外电场极化使得电畴翻转，储存电荷能量，最后对极化后陶瓷加载高压，使产生铁电-反铁电相变放出能量。
然而，目前除了PZT体系的铁电陶瓷，还鲜有人报道其他可用于铁电陶瓷的高压换能性能材料。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对现有的铁电陶瓷主要为强污染源PZT体系，而鲜有其他可用于高压换能的无铅铁电材料的问题，提供一种无铅高储能铁电材料及其应用。本发明的无铅高储能铁电材料在直流外电场的作用下能极化储存电荷能量，而极化后在高压冲击作用下，能释放出大电流的脉冲信号。本发明开发一种新的铁电陶瓷材料的储能应用，对于冲击放电材料的认知是全新的拓展，具有重要的意义和较好的应用前景。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种无铅高储能铁电材料，其化学式为(1-x)(Bi0.5Na0.5)TiO3-xBiAlO3，其中，x为0.01～0.09。
x为0.03～0.08。
其化学式为95％(Bi0.5Na0.5)TiO3-5％BiAlO3。
其化学式为92％(Bi0.5Na0.5)TiO3-8％BiAlO3。
前述无铅高储能铁电材料的应用，将该材料用作冲击放电材料。
包括如下步骤：
(1)制备
向前述无铅高储能铁电材料表面涂银电极，得到第一中间体，将第一中间体进行高温烧结，使银电极与无铅高储能铁电材料紧密结合，得到第二中间体；
(2)极化储能
在室温下，将第二中间体在外加直流电场下极化，使第二中间体中的无铅高储能铁电材料极化储存电荷能量，得到第三中间体；
(3)装配
将第三中间体、负载相连成回路，完成回路装配；
(4)放电
步骤3完成后，采用冲击波冲击第三中间体中极化的无铅高储能铁电材料，使第三中间体中极化的无铅高储能铁电材料放出储存的电荷能量。
所述步骤1中，将第一中间体进行高温烧结，烧结温度为400～550℃，烧结时间为10～50min。
所述步骤2中，将第二中间体在外加直流电场下极化，直流电场为10～20kV/mm，极化时间为10～50min。
直流电场为15kV/mm，极化时间为15min。
所述步骤3中，负载为电阻。
所述步骤4中，冲击波由炸药爆炸的动态冲击生成。
所述步骤4中，冲击波的冲击压力为3.0～4.0GPa。
冲击波的冲击压力为3.7GPa。
本发明提供一种无铅高储能铁电材料及其应用。本发明的无铅高储能铁电材料的化学式为(1-x)(Bi0.5Na0.5)TiO3-xBiAlO3，其中，x为0.01～0.09，将该材料简记为BNT-BA。申请人发现，BNT-BA在直流外电场的作用下能极化储存电荷能量，而极化后的铁电陶瓷(BNT-BA)在高压冲击作用下，能释放出发大电流的脉冲信号。本发明的BNT-BA具有较好的放电储能-冲击放电特性，能够得到脉冲大电流信号。本发明对于冲击放电材料的认知是全新的拓展，具有重要的进步意义。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1为冲击波压缩PZT铁电陶瓷铁电-反铁电相变示意图。
图2为本发明的无铅高储能铁电材料极化示意图。
图3为实施例中样品装配示意图。
图4为冲击试验示意图。
图5中为外加电阻负载上测试到的脉冲电流图。
图中标记：1为无铅高储能铁电材料，2为银电极，3为直流高压电源，4为电极导线，5为负载，6为缓冲板，7为匹配隔板，8为炸药板。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
实施例1
(1)制备
取烧结好的无铅高储能铁电材料切片(其化学式为(1-x)(Bi0.5Na0.5)TiO3-xBiAlO3，x为0.08，相对密度>90％，切片尺寸为10*10*5mm)，在无铅高储能铁电材料的10*10mm的两个样品面上涂银电极，得到第一中间体。将第一中间体进行高温烧结，烧结温度为500℃，烧结20分钟，使银电极与无铅高储能铁电材料紧密结合，得到第二中间体。
(2)极化储能
在室温下，将第二中间体在外加直流电场下极化，直流电场为15kV/mm，极化时间为15min，使第二中间体中的无铅高储能铁电材料极化储存电荷能量，得到第三中间体。
(3)装配
将第三中间体、负载相连成回路(即将极化的无铅高储能铁电材料、银电极、负载用铜导线连接成回路)，完成回路装配。再如图3所述，将炸药板、匹配隔板、缓冲板、装配的回路从下至上依次放置，装配的回路位于炸药板的中心位置，完成样品装配。本实施例中，负载为1Ω的电阻，高压是利用炸药爆炸产生的冲击波加载产生，匹配隔板采用1.5mmAl板，缓冲板采用5mm有机玻璃(PMMA)。
(4)放电
步骤3完成后，进行点火，炸药板产生动态冲击波冲击第三中间体中极化的无铅高储能铁电材料，使第三中间体中极化的无铅高储能铁电材料放出储存的电荷能量。本实施例中，冲击波产生的冲击压力为3.7GPa。图4中给出了冲击试验示意图，在外界冲击压力作用下(用图4下方的大箭头表示)，无铅高储能铁电材料中的极化方向发生改变(如图4上方并列小箭头所示)，从而放出电能。
实施例2
(1)制备
取烧结好的无铅高储能铁电材料切片(其化学式为(1-x)(Bi0.5Na0.5)TiO3-xBiAlO3，x为0.06，相对密度>90％，切片尺寸为10*10*5mm)，在无铅高储能铁电材料的10*10mm的两个样品面上涂银电极，得到第一中间体。将第一中间体进行高温烧结，烧结温度为480℃，烧结25分钟，使银电极与无铅高储能铁电材料紧密结合，得到第二中间体。
(2)极化储能
在室温下，将第二中间体在外加直流电场下极化，直流电场为16kV/mm，极化时间为12min，使第二中间体中的无铅高储能铁电材料极化储存电荷能量，得到第三中间体。
(3)装配
将第三中间体、负载相连成回路(即将极化的无铅高储能铁电材料、银电极、负载用铜导线连接成回路)，完成回路装配。再如图3所述，将炸药板、匹配隔板、缓冲板、装配的回路从下至上依次放置，装配的回路位于炸药板的中心位置，完成样品装配。本实施例中，负载为1Ω的电阻，高压是利用炸药爆炸产生的冲击波加载产生，匹配隔板采用1.5mmAl板，缓冲板采用5mm有机玻璃(PMMA)。
(4)放电
步骤3完成后，进行点火，炸药板产生动态冲击波冲击第三中间体中极化的无铅高储能铁电材料，使第三中间体中极化的无铅高储能铁电材料放出储存的电荷能量。本实施例中，冲击波产生的冲击压力为3.7GPa。
实施例3
(1)制备
取烧结好的无铅高储能铁电材料切片(其化学式为(1-x)(Bi0.5Na0.5)TiO3-xBiAlO3，x为0.09，相对密度>90％，切片尺寸为10*10*5mm)，在无铅高储能铁电材料的10*10mm的两个样品面上涂银电极，得到第一中间体。将第一中间体进行高温烧结，烧结温度为520℃，烧结18分钟，使银电极与无铅高储能铁电材料紧密结合，得到第二中间体。
(2)极化储能
在室温下，将第二中间体在外加直流电场下极化，直流电场为12kV/mm，极化时间为25min，使第二中间体中的无铅高储能铁电材料极化储存电荷能量，得到第三中间体。
(3)装配
将第三中间体、负载相连成回路(即将极化的无铅高储能铁电材料、银电极、负载用铜导线连接成回路)，完成回路装配。再如图3所述，将炸药板、匹配隔板、缓冲板、装配的回路从下至上依次放置，装配的回路位于炸药板的中心位置，完成样品装配。本实施例中，负载为1Ω的电阻，高压是利用炸药爆炸产生的冲击波加载产生，匹配隔板采用1.5mmAl板，缓冲板采用5mm有机玻璃(PMMA)。
(4)放电
步骤3完成后，进行点火，炸药板产生动态冲击波冲击第三中间体中极化的无铅高储能铁电材料，使第三中间体中极化的无铅高储能铁电材料放出储存的电荷能量。本实施例中，冲击波产生的冲击压力为3.7GPa。
对实施例1～3(实施例1～3分别依次对应样品1、样品2、样品3)的外加电阻负载的电流信号进行测试，测试数据如下表1所示，脉冲电流图如图5所示。
表1实施例1～3的外加电阻负载上测量到的电流信号
从表1和图5中可以看出，本发明实施例1～3测得的电流信号的信号峰值最高达26A，20A以上的脉冲宽度大于2μs。实验结果表明，本发明的BNT-BA作为动高压加载换能材料，具有较好的放电储能-冲击放电特性，能够得到脉冲大电流信号。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (9)

1.一种无铅高储能铁电材料的应用，其特征在于，包括如下步骤：
（1）制备
向前述无铅高储能铁电材料表面涂银电极，得到第一中间体，将第一中间体进行高温烧结，使银电极与无铅高储能铁电材料紧密结合，得到第二中间体；
（2）极化储能
在室温下，将第二中间体在外加直流电场下极化，使第二中间体中的无铅高储能铁电材料极化储存电荷能量，得到第三中间体；
（3）装配
将第三中间体、负载相连成回路，完成回路装配；
（4）放电
步骤3完成后，采用冲击波冲击第三中间体中极化的无铅高储能铁电材料，使第三中间体中极化的无铅高储能铁电材料放出储存的电荷能量；
该无铅高储能铁电材料的化学式为(1-x)(Bi0.5Na0.5)TiO3-xBiAlO3，其中，x为0.01~0.09。
2.根据权利要求1所述应用，其特征在于，所述步骤1中，将第一中间体进行高温烧结，烧结温度为400~550℃，烧结时间为10~50min。
3.根据权利要求1或2所述应用，其特征在于，所述步骤2中，将第二中间体在外加直流电场下极化，直流电场为10~20 kV/mm，极化时间为10~50min。
4.根据权利要求3所述应用，其特征在于，直流电场为15 kV/mm，极化时间为15min。
5.根据权利要求1所述应用，其特征在于，所述步骤4中，冲击波由炸药爆炸的动态冲击生成。
6.根据权利要求1所述应用，其特征在于，x为0.03~0.08。
7.根据权利要求6所述应用，其特征在于，其化学式为95%(Bi0.5Na0.5)TiO3-5%BiAlO3。
8.根据权利要求1所述应用，其特征在于，其化学式为92%(Bi0.5Na0.5)TiO3-8%BiAlO3。
9.根据权利要求1~2、4-8任一项所述应用，其特征在于，将该材料用作冲击放电材料。
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