CN111217604B - 具有高储能密度和效率的钛酸铋钠基电子陶瓷的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有高储能密度和效率的钛酸铋钠基电子陶瓷的制备方法，克服了现有技术中钛酸铋钠基储能陶瓷能量存储性能不佳的问题，制备的产品能量存储密度以及效率高、电学稳定性好。本发明的材料化学组成为(1‑x)((Bi0.5‑yLayNa0.5)0.94Ba0.06TiO3)‑xSr(Sc0.5Nb0.5)O3，其中x＝0.05‑0.2，y＝0.03。该陶瓷的制备工艺简单，可重复性高，对配方组分进行化学比例的计算，称量高纯的原料粉末，经球磨烘干、预烧结、造粒压片、高温烧结，制得具有高储能密度和效率的钛酸铋钠基电子陶瓷。该钛酸铋钠基电子陶瓷材料储能密度最大值为1.83J/cm3，储能效率为83％。

Description

具有高储能密度和效率的钛酸铋钠基电子陶瓷的制备方法
技术领域：
本发明属于功能陶瓷材料技术领域，涉及一种电子陶瓷材料的制备方法，具体涉及一种具有高储能密度和效率的钛酸铋钠基电子陶瓷的制备方法。
背景技术：
储能陶瓷电容器具有功率密度高、充放电速度快、抗循环老化、适用于高温高压等极端环境的优点，符合新时期能源利用的要求，在电力电子系统中起着关键作用。高储能密度陶瓷电容器在电磁脉冲武器、电动汽车、手机等消费电子、医疗器械等有广泛的应用，还可以用做粒子加速器的驱动元件，微波、激光、航天器等大功率发射装置等，其市场需求量大、产业化前景广阔。世界各国元器件生产企业都在电子陶瓷及其元器件的新产品、新技术、新工艺、新材料、新设备方面投入巨资进行研究开发。现代科学技术的加速发展对电子陶瓷材料提出来严峻的挑战，也为这一领域的研究和发展创造了机会。
目前，储能陶瓷材料的性能优化主要是通过掺杂取代、固溶其他组元等方式改进材料的化学组成而实现的。储能电子陶瓷材料主要有铅基(Pb-)、钛酸铋钠基(BNT-)、钛酸钡基(BT-)、铁酸铋基(BF-)、铌酸钾钠基(KNN-)、铌酸银基(AN-)等。
含铅储能电子陶瓷具有大的储能密度(＞2J/cm3)，但储能效率较低(＜70％)，并且含有毒重金属铅元素，危害人体健康。钛酸钡基的储能陶瓷受限于其较低的极化强度，虽然可以实现大的能量存储效率(＞85％)，但是储能密度较低(＜1.5J/cm3)。铁酸铋基储能陶瓷由于漏电导严重，击穿电压较低，因此储能密度小于1J/cm3。铌酸钾钠基的储能陶瓷由于烧结温度窗口窄，对制备条件的要求高，并且储能效率低于65％，不适于工业生产。铌酸银基的储能陶瓷原料需要氧化银，成本较高，并且制得的反铁电材料具有大的电致伸缩效应，不利于在应用在储能元件之中。而钛酸铋钠基储能陶瓷，原料价格低，制备过程简单，容易在高温下烧结出致密的陶瓷结构，并且有相对较高的极化强度，容易获得较高的击穿电压，因此适合应用于高功率的脉冲电子器件，具有较高的工程实用价值，但其能量存储性能不是很理想。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种具有高电能存储密度和效率的钛酸铋钠基电子陶瓷的制备方法，其克服了现有技术中钛酸铋钠基储能陶瓷能量存储性能不佳的问题；其制备方法操作简单、重复性好；其制备的产品能量存储密度以及效率高、电学稳定性好。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种具有高储能密度和效率的钛酸铋钠基电子陶瓷，其特征在于，该钛酸铋钠基电子陶瓷材料的化学组成为(1-x)((Bi0.5-yLayNa0.5)0.94Ba0.06TiO3)-xSr(Sc0.5Nb0.5)O3，其中x和y表示陶瓷体系中的摩尔质量，x为0.05-0.2，y为0.03。
具体包括以下步骤：
1)对(1-x)((Bi0.5-yLayNa0.5)0.94Ba0.06TiO3)-xSr(Sc0.5Nb0.5)O3的配方组分进行化学比例的计算。称量高纯的Bi2O3、La2O3、Na2CO3、BaCO3、SrCO3、Sc2O3、TiO2及Nb2O5原料粉末，并充分球磨，获得均匀的混合料，在干燥箱内烘干；
2)对步骤1)制得的粉体过筛后，在840-870℃预烧结，自然冷却至室温，出炉，再次球磨，烘干，制得BLNBT-xSSN粉体；
3)对步骤2)得到的粉体加入聚乙烯醇，聚乙烯醇溶液浓度为5％，加入量为6％-7％，混合均匀，然后利用粉末压片机，在15MPa压力下压成圆状坯片；
4)对步骤3)制得的坯片在600℃保温一定时间，后以一定速率升温至1100-1150℃高温烧结，制得具有高储能密度和效率的钛酸铋钠基电子陶瓷。
步骤1)中，球磨的转速为350r/min，球磨时间为24h，干燥箱温度设置为80℃。
步骤2)中，预烧结时将粉体置于高纯氧化铝坩埚内，保温时间为2h。
步骤3)中，模压制得的坯片直径为12mm，厚度为1.2-1.5mm。
步骤4)中，坯片在600℃保温时长为4h，在1100-1150℃保温时间为4h，升温速率为3℃/min。
与现有技术相比，本发明具有的优点和效果如下：
1、本发明在组分设计过程中引入铁电畴工程，巧妙的找出交叉区域：正常铁电体具有宽大的电畴结构，在外加电场撤去时电畴不能偏转回复其初始状态，造成能量无法释放而产生大量损耗；弛豫铁电体具有微小的畴结构，虽然在外加电场作用下，电畴可以迅速响应，且撤去电场后瞬间回复，但由于畴结构太小，而造成储能密度较小。因此，通过设计豫铁电体的交叉区域——交叉铁电体，更容易获得大的能量存储密度和存储效率。然后采用烧结法制备得到钛酸铋钠基电子陶瓷。其能量存储性能较现有产品有大幅提升，工艺流程简单，制备的样品内部晶粒大小均匀，化学均匀性以及电学均匀性高，展现出高的能量存储密度和效率，可应用于高功率脉冲功率电子器件中。
2、该钛酸铋钠基电子陶瓷材料在外加电场强度为185kV/cm时，储能密度最大值为1.83J/cm3，储能效率为83％。
附图说明：
图1为实施例1中钛酸铋钠基储能陶瓷的X射线衍射图谱；
图2为实施例1中钛酸铋钠基储能陶瓷的表面扫描电子显微结构图谱。
图3为实施例2中钛酸铋钠基储能陶瓷的极化强度-电场强度图谱。
图4为实施例3中钛酸铋钠基储能陶瓷的极化强度-电场强度图谱。
图5为实施例4中钛酸铋钠基储能陶瓷的介电常数及介电损耗-温度图谱。
图6为实施例4中钛酸铋钠基储能陶瓷的极化强度-电场强度图谱。
具体实施方式：
下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。
本发明涉及一种具有高储能密度和效率的钛酸铋钠基电子陶瓷的制备方法，以钛酸铋钠陶瓷材料作为对象，采用固相烧结法制备钛酸铋钠基的电子储能陶瓷。制得样品的储能密度以及效率高、电学稳定性好。
本发明所述方法包括以下步骤：
La3+,Ba2+,Sr2+,Sc3+,Nb5+离子掺杂进入钛酸铋钠陶瓷的晶体结构中，形成(1-x)((Bi0.5-yLayNa0.5)0.94Ba0.06TiO3)-xSr(Sc0.5Nb0.5)O3的化学组成，其中x＝0.05-0.2，y＝0.03。具体步骤为：
1、称取原料
按照(1-x)((Bi0.5-yLayNa0.5)0.94Ba0.06TiO3)-xSr(Sc0.5Nb0.5)O3的化学组成计算化学计量比例，称取高纯的Bi2O3、La2O3、Na2CO3、BaCO3、SrCO3、Sc2O3、TiO2及Nb2O5原料粉末。
2、球磨烘干：
将原料混合粉末置于球磨罐中，加入无水乙醇，在行星式球磨机上球磨24h，然后取出，在干燥箱内80℃烘干。
3、预烧结：
将球磨烘干后的粉体置于高纯氧化铝坩埚内，在高温烧结炉中840-870℃预烧结。预烧结的保温时间为2h。
4、造粒压片：
将预烧结粉体再次球磨24h，烘干，加入7wt％的PVA造粒，然后在压片机上施加15MPa的压力，模压出直径12mm，厚度1.5mm的圆片。
5、高温烧结：
将压好的圆片在600℃保温4h排胶，在高温烧结炉内1100-1150℃烧结。高温烧结的保温时间为4h。烧结完毕，样品随炉冷却至室温，得到具有高储能密度和效率的钛酸铋钠基电子陶瓷。
本发明中的方法如无特别说明均为常规方法。本发明使用的原料粉末及纯度为BaCO3(99％)、La2O3(99.99％)、Na2CO3(99.99％)、SrCO3(99％)、Bi2O3(99％)、Sc2O3(99.99％)、TiO2(99％)及Nb2O5(99.99％)，均购于国药集团化学试剂有限公司。本发明涉及的能量密度与能量效率数据均来自于美国Agilent铁电综合分析仪测得极化-电场强度(P-E)曲线的计算结果。
实施例1
将化学组成为0.85((Bi0.5-yLayNa0.5)0.94Ba0.06TiO3)-0.15Sr(Sc0.5Nb0.5)O3的配方，按化学比例称取原料，进行球磨24h后，干燥，压片，将压好的柱状块体放置于烧结炉中烧结，在850℃下预烧结2h，自然冷却；预烧结的陶瓷粉末经二次球磨为粉末后，压片，将压好的圆片置于烧结炉中烧结，在600℃保温4小时排胶，后升温速率为3℃/min，升至1150℃保温5h。烧结完毕后，随炉自然冷却至室温，即得钛酸铋钠基储能陶瓷。
用X射线衍射仪(D2 Phaser，Bruker)检测样品预烧时的相组成，如图1所示，样品的晶体结构呈现典型的伪立方结构，没有其它杂相的衍射峰。所得钛酸铋钠基储能陶瓷的表面扫描电镜图如图2所示，陶瓷晶粒组织排列致密，结晶性良好。
实施例2
将化学组成为0.95((Bi0.5-yLayNa0.5)0.94Ba0.06TiO3)-0.05Sr(Sc0.5Nb0.5)O3的配方，按化学比例称取原料，进行球磨24h后，干燥，压片，将压好的柱状块体放置于烧结炉中烧结，在850℃下预烧结2h，自然冷却；预烧结的陶瓷粉末经二次球磨为粉末后，压片，将压好的圆片置于烧结炉中烧结，在600℃保温4小时排胶，后升温速率为3℃/min，升至1150℃保温4h。烧结完毕后，随炉自然冷却至室温，即得钛酸铋钠基储能陶瓷。
利用Agilent铁电分析仪测得单极极化曲线图，根据公式(1)
Figure GDA0003627977740000061
(2)
Figure GDA0003627977740000062
(3)η＝Wrec/W计算得到实施例2中样品的储能特性。如图3所示，最大的击穿电场强度为106kV/cm，储能密度和储能效率分别为1.28J/cm3，59％。
实施例3
将化学组成为0.80((Bi0.5-yLayNa0.5)0.94Ba0.06TiO3)-0.20Sr(Sc0.5Nb0.5)O3的配方，按化学比例称取原料，进行球磨24h后，干燥，压片，将压好的柱状块体放置于烧结炉中烧结，在840℃下预烧结2h，自然冷却；预烧结的陶瓷粉末经二次球磨为粉末后，压片，将压好的圆片置于烧结炉中烧结，在600℃保温4小时排胶，后升温速率为3℃/min，升至1130℃保温4h。烧结完毕后，随炉自然冷却至室温，即得钛酸铋钠基储能陶瓷。
利用Agilent铁电分析仪测得单极极化曲线图，计算得到实施例3中样品的储能特性。如图4所示，最大的击穿电场强度为190kV/cm，储能密度和储能效率分别为1.75J/cm3，86％。
实施例4
将化学组成为0.85((Bi0.5-yLayNa0.5)0.94Ba0.06TiO3)-0.15Sr(Sc0.5Nb0.5)O3的配方，按化学比例称取原料，进行球磨24h后，干燥，压片，将压好的柱状块体放置于烧结炉中烧结，在850℃下预烧结2h，自然冷却；预烧结的陶瓷粉末经二次球磨为粉末后，压片，将压好的圆片置于烧结炉中烧结，在600℃保温4小时排胶，后升温速率为3℃/min，升至1150℃保温4h。烧结完毕后，随炉自然冷却至室温，即得钛酸铋钠基储能陶瓷。
使用HP4980AL分析仪测量其介电特性，测试频率分别为100Hz,1kHz，10kHz，100kHz，1000kHz，测试温度范围为20℃-500℃，由图5可知，样品的频率弥散特征明显，介电损耗小。
使用Agilent铁电分析仪测量其铁电性能，测试频率为10Hz，由图6可知，最大的击穿电场强度为185kV/cm，储能密度和储能效率分别为1.83J/cm3，83％。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种具有高储能密度和效率的钛酸铋钠基电子陶瓷的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：将化学组成为0.85((Bi0.5-yLayNa0.5)0.94Ba0.06TiO3)-0.15Sr(Sc0.5Nb0.5)O3的配方，按化学比例称取原料，进行球磨24h后，干燥，压片，将压好的柱状块体放置于烧结炉中烧结，在850℃下预烧结2h，自然冷却；预烧结的陶瓷粉末经二次球磨为粉末后，压片，将压好的圆片置于烧结炉中烧结，在600℃保温4小时排胶，后升温速率为3℃/min，升至1150℃保温5h；烧结完毕后，随炉自然冷却至室温，即得钛酸铋钠基储能陶瓷。
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