CN111792929A - 一种使用施主-受主复合掺杂提高钛酸钡基陶瓷储能特性的方法 - Google Patents

一种使用施主-受主复合掺杂提高钛酸钡基陶瓷储能特性的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种使用施主‑受主复合掺杂提高钛酸钡基陶瓷储能特性的方法，涉及材料制备技术领域，包括：称量BaCO3、TiO2、MnCO3、Nb2O5粉末并使用介质混合后研磨得到第一浆料；将第一浆料烘干后过筛，将得到的混合粉末烧结得到合成第一粉料；将第一粉料过筛后研磨后得到第二浆料；将第二浆料烘干过筛后加入PVA胶获得粒径在60‑100目之间的第二粉料，并使用压片机将所述第二粉料压成粗坯；将粗坯烧结得到钛酸钡基陶瓷样品。本发明的优势在于：(1)本发明的制备方法所用的原料无毒环保，制备和后续回收处理时不易造成环境污染；(2)本发明的制备方法制备的钛酸钡基陶瓷的储能效率更高，可达86％。

Description

一种使用施主-受主复合掺杂提高钛酸钡基陶瓷储能特性的 方法
技术领域
本发明涉及材料技术制备领域，尤其涉及一种使用施主-受主复合掺杂提高钛酸钡基陶瓷储能特性的方法。
背景技术
脉冲功率电容器是脉冲功率技术的关键部件，由于其高功率密度和快速的充放电时间，已被广泛应用于核技术，电子束，卫生技术和电力系统。其他能量存储设备(例如电池和电化学电容器)不能满足有源装甲，电发射平台和电化学枪等脉冲负载高功率密度的需求。但与电池等能量存储比，介电电容器的储能密度较低。因此，为了实现设备轻量化和小型化、进一步提升设备性能，寻找提高介电电容器的能量存储能力的方法是第一要务。
电容器介质材料储能参数——储能密度Wrec和储能效率η可以使用以下公式计算获得：
Figure BDA0002522308660000011
其中，Pmax和Pr表示最大极化和剩余极化，E是外加电场。从方程式中可以明显看出，具有较高的最大极化和较低的剩余极化的材料，即大的Pmax-Pr，通常具有更好的储能性能。反铁电体因为具有特殊双电滞回线因此而具有接近于零的Pr，因此被认为是适合应用于储能电容器的材料。
现有应用于储能电容器的反铁电体材料：
铅系——PZT基：如(Pb0.955Sr0.015La0.02)(Zr0.75Sn0.195Ti0.055)O3\La-doped PZT
无铅系——AgNbO3
含铅反铁电体材料如PZT虽然具有优异储能特性，其含有大量有毒元素铅，制备和后续回收处理时易造成环境污染，因此被全球多个国家限制或禁止使用。
无铅反铁电体材料目前以AgNbO3为主，其储能效率通常较低(50-70％)，由于反铁电体成分可调度小，AgNbO3基储能陶瓷储能效率难以提升。低储能效率会导致实际使用时装置发热严重，对电力电子系统安全性、稳定性造成威胁。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种新的陶瓷材料制备方法，使得所用原料无毒环保，制备和后续回收处理时不易造成环境污染且储能效率提高的复合掺杂提高钛酸钡基陶瓷储能特性的方法。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种新的陶瓷材料制备方法，使得所用原料无毒环保，制备和后续回收处理时不易造成环境污染且储能效率提高的复合掺杂提高钛酸钡基陶瓷储能特性的方法。
为实现上述目的，本发明提供了一种使用施主-受主复合掺杂提高钛酸钡基陶瓷储能特性的方法，所述方法包括步骤：
S100、称量BaCO3、TiO2、MnCO3、Nb2O5粉末并使用介质混合后研磨得到第一浆料；
S200、将所述浆料烘干后过筛，将得到的混合粉末烧结得到合成第一粉料；
S300、将所述粉料过筛后研磨后得到第二浆料；
S400、将所述第二浆料烘干过筛后加入PVA胶获得粒径在60-100目之间的第二粉料，并使用压片机将所述第二粉料压成粗坯；
S500、将所述粗坯烧结得到钛酸钡基陶瓷样品。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
(1)本发明的制备方法所用的原料无毒环保，制备和后续回收处理时不易造成环境污染；
(2)本发明的制备方法制备的钛酸钡基陶瓷的储能效率更高，可达86％。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例施主-受主复合掺杂钛酸钡陶瓷与纯钛酸钡陶瓷电滞回线对比图；
图2是施主-受主复合掺杂储能参数随受主含量变化图。
具体实施方式
以下参考说明书附图1至附图2介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
使用施主-受主复合掺杂提高钛酸钡基陶瓷储能特性的方法，包括步骤：
S100、称量BaCO3、TiO2、MnCO3、Nb2O5粉末并使用介质混合后研磨得到第一浆料；
S200、将所述浆料烘干后过筛，将得到的混合粉末烧结得到合成第一粉料；
S300、将所述粉料过筛后研磨后得到第二浆料；
S400、将所述第二浆料烘干过筛后加入PVA胶获得粒径在60-100目之间的第二粉料，并使用压片机将所述第二粉料压成粗坯；
S500、将所述粗坯烧结得到钛酸钡基陶瓷样品。
其中，本文所提到的施主、受主元素不限于本文所提的Nb、Mn元素，还可是La、Co等。
一方面，本发明的制备方法所用的原料无毒环保，制备和后续回收处理时不易造成环境污染；
另一方面，本发明的制备方法制备的钛酸钡基陶瓷的储能效率更高，可达86％。
在一个较佳的实施例中，步骤S100中所述介质为酒精，所述研磨的时间为4-5h。
在一个较佳的实施例中，步骤S200中所述烧结温度为1100-1200℃。
在一个较佳的实施例中，步骤S300中所述研磨的时间为8-10h。
在一个较佳的实施例中，步骤S500还包括：将所述粗坯置于烧结炉中，以80-100℃/h的升温速率升温至1350-1450℃下烧结8-10小时，得到钛酸钡基陶瓷样品。
以下通过几个具体的实施例来介绍本发明的具体实施方式。
实施例1
S100、称量BaCO3、TiO2、MnCO3、Nb2O5粉末并以酒精为介质混合后研磨4个小时得到第一浆料；
S200、将第一浆料烘干后过筛，将得到的混合粉末在1100℃烧结得到合成第一粉料；
S300、将第一粉料过筛后研磨8小时得到第二浆料；
S400、将第二浆料烘干过筛后加入PVA胶获得粒径在60-100目之间的第二粉料，并使用压片机将所述第二粉料压成粗坯；
S500、将粗坯置于烧结炉中，以80℃/h的升温速率升温至1350℃下烧结10小时，得到钛酸钡基陶瓷样品。
实施例2
S100、称量BaCO3、TiO2、MnCO3、Nb2O5粉末并以酒精为介质混合后研磨4.5个小时得到第一浆料；
S200、将第一浆料烘干后过筛，将得到的混合粉末在1150℃烧结得到合成第一粉料；
S300、将第一粉料过筛后研磨9小时得到第二浆料；
S400、将第二浆料烘干过筛后加入PVA胶获得粒径在60-100目之间的第二粉料，并使用压片机将所述第二粉料压成粗坯；
S500、将粗坯置于烧结炉中，以90℃/h的升温速率升温至1400℃下烧结9小时，得到钛酸钡基陶瓷样品。
实施例3
S100、称量BaCO3、TiO2、MnCO3、Nb2O5粉末并以酒精为介质混合后研磨5个小时得到第一浆料；
S200、将第一浆料烘干后过筛，将得到的混合粉末在1200℃烧结得到合成第一粉料；
S300、将第一粉料过筛后研磨10小时得到第二浆料；
S400、将第二浆料烘干过筛后加入PVA胶获得粒径在60-100目之间的第二粉料，并使用压片机将所述第二粉料压成粗坯；
S500、将粗坯置于烧结炉中，以100℃/h的升温速率升温至1450℃下烧结10小时，得到钛酸钡基陶瓷样品。
如图1本发明的一个较佳实施例施主-受主复合掺杂钛酸钡陶瓷与纯钛酸钡陶瓷电滞回线对比图所示，通过在钛酸钡基陶瓷中同时引入施主(Nb)和受主(Mn)元素，可同时提高钛酸钡基陶瓷的储能密度。在钛酸钡基陶瓷中掺杂受主元素后，由于不等价掺杂，基体中会产生氧空位以达到电荷中和。氧空位的产生在基体中引入了时效效应，时效后氧空位可产生缺陷偶极矩，导致铁电体剩余极化强度降低，呈现出类似于反铁电体的双电滞回线。这种变化极大地提高了Pmax-Pr，从而提高了钛酸钡基陶瓷储能密度。在钛酸钡基陶瓷中掺杂施主元素可导致铁电体“软化”，即减小剩余极化强度Pr和矫顽场Ec，从而减小电滞回线包络面积，提高材料储能效率。同时添加施主和受主元素，可以通过调节施主、受主元素，调控材料电滞回线形状，达到同时提高储能效率和储能密度的目的。
图2施主-受主复合掺杂储能参数随受主含量变化图所示，与纯钛酸钡陶瓷相比，经施主-受主复合掺杂改性后的材料储能密度提高76％，储能效率可达80％。进一步升高测试电压，其储能效率可到到86％。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种使用施主-受主复合掺杂提高钛酸钡基陶瓷储能特性的方法，所述方法包括步骤：
S100、称量BaCO3、TiO2、MnCO3、Nb2O5粉末并使用介质混合后研磨得到第一浆料；
S200、将所述第一浆料烘干后过筛，将得到的混合粉末烧结得到合成第一粉料；
S300、将所第一述粉料过筛后研磨后得到第二浆料；
S400、将所述第二浆料烘干过筛后加入PVA胶获得粒径在60-100目之间的第二粉料，并使用压片机将所述第二粉料压成粗坯；
S500、将所述粗坯烧结得到钛酸钡基陶瓷样品。
2.如权利要求1所述方法的，其中，优选的，步骤S100中所述介质为酒精，所述研磨的时间为4-5h。
3.如权利要求1所述方法的，其中，步骤S200中所述烧结温度为1100-1200℃。
4.如权利要求1所述方法的，其中，步骤S300中所述研磨的时间为8-10h。
5.如权利要求1所述方法的，其中，步骤S500还包括：将所述粗坯置于烧结炉中，以80-100℃/h的升温速率升温至1350-1450℃下烧结8-10小时，得到钛酸钡基陶瓷样品。
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