CN113213919A - 一种具有高储能密度的掺钐钛酸铋钠-钛酸锶铋陶瓷材料及其制备方法 - Google Patents

一种具有高储能密度的掺钐钛酸铋钠-钛酸锶铋陶瓷材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种具有高储能密度的掺钐钛酸铋钠‑钛酸锶铋陶瓷材料及其制备方法，涉及陶瓷电容材料加工技术领域。所述高储能密度的掺钐钛酸铋钠‑钛酸锶铋陶瓷材料化学计量比为((Bi0.5Na0.5)0.7(Sr0.7Bi0.2)0.3)1‑xSmx)TiO3，且0≤x≤0.03，所述陶瓷材料的制备工艺主要包括原料准备、球磨制浆、煅烧球磨、成型处理等步骤。本发明克服了现有技术的不足，所制得的陶瓷材料密度大、表面气隙少，经高温淬火工艺所得陶瓷的储能性能由背景技术下的低储能提高到1.25J/cm3，储能潜力也提高到1.4Jcm‑2kV‑1，表现出明显的性能优势，此外，储能密度在20‑120℃的温度范围内稳定在±5％之间，可应用于高温环境储能装置。

Description

一种具有高储能密度的掺钐钛酸铋钠-钛酸锶铋陶瓷材料及 其制备方法
技术领域
本发明涉及陶瓷电容材料加工技术领域，具体涉及一种具有高储能密度的掺钐钛酸铋钠-钛酸锶铋陶瓷材料及其制备方法。
背景技术
陶瓷电容在现代电子技术中广泛应用于脉冲电源系统和移动电子设备，具有储存密度大，放电速度快的优点。目前市场上的器件主要集中在以锆钛酸铅为基的含铅陶瓷体系，但铅对环境的严重污染促使人们迫切寻找无铅储能陶瓷的替代品。
近年来，钛酸铋钠(Bi0.5Na0.5TiO3，BNT)陶瓷因其可以在保持较高饱和极化值(Pm)的同时上降低剩余极化值(Pr)，从而提高储能密度及其效率，因此在储能领域被广泛研究。而目前所报道的无铅钛酸铋钠基陶瓷材料因储能密度小难以满足实际应用。
文献“Structural and electrical properties of lanthanide-doped Bi0.5(Na0.80K0.20)0.5TiO3–SrZrO3 piezoelectric ceramics for energy-storageapplications,J.Mater.Sci.:Mater.Electron.,31(2020)4092-4105.”公开了一种掺镧系元素制备钛酸铋钾钠-锆酸锶多元陶瓷的制备方法。通过掺杂镧系元素提高陶瓷的储能性能，该陶瓷在90kV/cm电场下实现0.75J/cm3的储能密度；文献“Enhanced energy storageproperties of NaNbO3 and SrZrO3 modified Bi0.5Na0.5TiO3 based ceramics,J.AlloysCompd.,721(2017)538-544”公开的一种钛酸铋钠基储能陶瓷(BNT-SZ-NN)在90kV/cm电场下实现0.75J/cm3的储能密度；文献“Enhanced energy storage properties of(1-x)Bi0.5Na0.5TiO3-xBa0.85Ca0.15Ti0.9Zr0.1O3 ceramics,Mater.Lett.,174(2016)110-113.”公开的一种钛酸铋钠基储能陶瓷(BNT-BCTZ)在93kV/cm电场下实现0.87J/cm3的储能密度；文献“Large electrocaloric response and high energy-storage properties over abroad temperature range in lead-free NBT-ST ceramics,J.Eur.Ceram.Soc.,36(2016)593-600.”公开的一种钛酸铋钠基储能陶瓷(BNT-ST)在65kV/cm电场下实现0.65J/cm3的储能密度；文献“Enhanced energy storage and dielectric properties ofBi0.487Na0.427K0.06Ba0.026TiO3-xCeO2anti-ferroelectric ceramics,J.Alloys Compd.,664(2016)632-638.”公开的一种钛酸铋钠基储能陶瓷(BNT-BKT-Ce)在75kV/cm电场下实现0.94J/cm3的储能密度；文献“Energy-storage properties of(1-x)Bi0.47Na0.47Ba0.06TiO3- xKNbO3 lead-free ceramics,J.Alloys Compd.,585(2014)14-18.”公开的一种钛酸铋钠基储能陶瓷(BNT-BT-KN)在100kV/cm电场下实现0.89J/cm3的储能密度；文献“Enhancedenergy-storage properties of BaZrO3-modified0.80Bi0.5Na0.5TiO3-0.20Bi0.5K0.5TiO3lead-free ferroelectric ceramics,J.Mater.Sci.,51(2015)1153-1160.”公开的一种钛酸铋钠基储能陶瓷(BNT-BKT-BZ)在70kV/cm电场下实现0.73J/cm3的储能密度；文献“Lead-free BaTiO3–Bi(Zn2/3Nb1/3)O3 weakly coupled relaxor ferroelectric materials forenergy storage,RSC Adv.,6(2016)14273-14282.”公开的一种无铅储能陶瓷(BT-BZN)在130kV/cm电场下实现0.79J/cm3的储能密度。综上所述，现有公开的无铅陶瓷储能密度均表现不足。
发明内容
针对现有技术不足，本发明提供一种具有高储能密度的掺钐钛酸铋钠-钛酸锶铋陶瓷材料及其制备方法，有效的减少锆钛酸铅陶瓷的污染问题以及改进现有无铅钛酸铋钠基陶瓷储能密度的不足的问题，得到无铅的高密度性能佳的储能陶瓷。
为实现以上目的，本发明的技术方案通过以下技术方案予以实现：
一种具有高储能密度的掺钐钛酸铋钠-钛酸锶铋陶瓷材料，所述掺钐钛酸铋钠-钛酸锶铋陶瓷材料的化学计量比为((Bi0.5Na0.5)0.7(Sr0.7Bi0.2)0.3)1-xSmx)TiO3，且其中0≤x≤0.03。
所述掺钐钛酸铋钠-钛酸锶铋陶瓷材料的制备工艺包括以下步骤：
(1)原料准备：将纯度大于98％的TiO2、Bi2O3、Na2CO3、SrCO3、Sm2O3置于烘箱中放置干燥除水，后按照上述权利要求1的材料化学计量比称重，后混合，得混合料备用；
(2)球磨制浆：将上述步骤(1)中的混合料加入无水乙醇和氧化锆磨球，后置于球磨罐中充分球磨，得浆料备用；
(3)煅烧球磨：将上述浆料置于烘箱中干燥后，过筛压制成坯，后煅烧处理，得煅烧料，并将煅烧料按照步骤(2)中的方式再次球磨，得球磨料烘并过筛，得陶瓷粉料备用；
(4)成型处理：将上述陶瓷粉料采用模具压制成型，得成型圆片，后通过冷等静压法处理，再将成型圆片覆盖上述陶瓷粉料进行烧结，后取出淬火急冷，再打磨抛光，得掺钐钛酸铋钠-钛酸锶铋陶瓷材料。
优选的，所述步骤(1)中TiO2、Bi2O3、Na2CO3、SrCO3、Sm2O3烘箱中干燥的温度为100-120℃，且干燥的时间3h。
优选的，所述步骤(2)中混合料、无水乙醇和氧化锆磨球的质量比为3∶1∶1。
优选的，所述步骤(2)和步骤(3)中球磨的时间为10-14h。
优选的，所述步骤(3)中煅烧的温度为850-1000℃，煅烧时间为2-3h。
优选的，所述步骤(4)中成型圆片的厚度为1-1.5mm，直径为10-12mm。
优选的，所述步骤(4)中冷等静压法处理的压强为250-300MPa。
优选的，所述步骤(4)中烧结的温度为1130-1200℃，烧结时间为2h。
优选的，所述步骤(4)中淬火急冷的方式为将材料直接取出于空气中急冷。
本发明提供一种具有高储能密度的掺钐钛酸铋钠-钛酸锶铋陶瓷材料及其制备方法，与现有技术相比优点在于：
本发明采用简单固相烧结工艺，以二氧化钛、氧化铋、碳酸钠、碳酸锶以及氧化钐氧化物粉料按配方的化学计量比称重，经球磨-煅烧-球磨-烧结工艺流程制得成品，制备成本低廉，且该配方制得的((Bi0.5Na0.5)0.7(Sr0.7Bi0.2)0.3)1-xSmx)TiO3陶瓷密度大、表面气隙少，经高温淬火工艺所得陶瓷的储能性能相比背景技术较低的储能提高到1.25J/cm3，储能潜力也达到1.4J cm-2kV-1，表现出明显的优势，特别地，储能密度在20-120℃的温度范围内稳定在±5％之间，可应用于高温环境储能装置。
附图说明：
图1：(a)为实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、实施例5制备的掺钐钛酸铋钠-钛酸锶铋陶瓷的XRD图谱；(b)为衍射角度的放大图；(实施例1-5制得样品为单一的钙钛矿结构，没有杂项，(b)的分裂峰说明样品均呈赝立方的结构特征)；
图2：为实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、实施例5制备的掺钐钛酸铋钠-钛酸锶铋陶瓷的铁电极化回线；(其中：实施例1-5对应的饱和极化值分别为29μC/cm、35μC/cm、30μC/cm、26μC/cm以及23μC/cm，在实施例2达到最大值，而后逐渐下降)；
图3：为实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、实施例5制备的掺钐钛酸铋钠-钛酸锶铋陶瓷的储能密度和储能效率值；(其中实施例2的储能密度为1.25J/cm3，储能效率达到73％)；
图4：为实施例2制备的掺钐钛酸铋钠-钛酸锶铋陶瓷的储能密度和储能效率关于温度变化曲线；(其中：储能密度在20-120℃范围内稳定在±5％之间，且储能效率随温度上升缓慢增加)。
图5：(a)为实施例2制备的掺钐钛酸铋钠-钛酸锶铋陶瓷与背景技术中的无铅陶瓷体系储能潜力ξ(单位电场储能密度，ξ＝Wrec/Em)的比较；(b)为实施例2制备的掺钐钛酸铋钠-钛酸锶铋陶瓷与背景技术中的无铅陶瓷体系的储能密度和储能效率分布情况图；(其中：实施例2具有突出的储能潜力(1.4J cm-2kV-1)和储能密度(1.25J cm-3))；
图6：(a)、(b)、(c)、(d)、(e)分别为本申请实施例1-5所制备掺钐钛酸铋钠-钛酸锶铋陶瓷1000℃热腐蚀30分钟后的表面电镜图，且(f)为各组粒径折线图，可见陶瓷表面整洁，气隙少，表明陶瓷密度大，烧结良好。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
一种具有高储能密度的掺钐钛酸铋钠-钛酸锶铋陶瓷材料，所述掺钐钛酸铋钠-钛酸锶铋陶瓷材料按照((Bi0.5Na0.5)0.7(Sr0.7Bi0.2)0.3)1-xSmx)TiO3的化学计量比称量粉料(其中x＝0)，即为(Bi0.5Na0.5)0.7(Sr0.7Bi0.2)0.3TiO3，按以下步骤制备：
(1)原料准备：将高纯度(>98％)的TiO2、Bi2O3、Na2CO3、SrCO3、Sm2O3先置于100℃的烘箱中放置3小时去除水分，称量二氧化钛8.0671g、氧化铋9.6976g、碳酸钠1.8736g、碳酸锶3.1315g以及氧化钐0g(精度为0.0001g)，混合得混合料备用；
(2)球磨制浆：将上述步骤(1)中的混合料、无水乙醇及氧化锆磨球按3∶1∶1的比例充分球磨12小时，得浆料备用；
(3)煅烧球磨：将上述浆料放入100℃烘箱干燥，过筛后压制成坯，盖上氧化铝坩埚并在850℃煅烧3小时，将煅烧好的坯料再次球磨12小时，烘干并过筛得到陶瓷粉料备用；
(4)成型处理：采用不锈钢压具将粉料压制成厚度1mm、直径10mm的圆片，经过250MPa压力冷等静压成型，然后将圆片覆盖上述陶瓷粉料在1130℃烧结，保温2小时，随后取出在空气中淬火急冷得到陶瓷样品，再打磨抛光，得掺钐钛酸铋钠-钛酸锶铋陶瓷材料。
检测：选出部分样品在1000℃热腐蚀30分钟，用于观察表面微观形貌特征，剩余样品两面涂刷银浆并在500℃保温30分钟，镀上银电极制得陶瓷元件，将样品在40℃、50kV/cm电场环境下极化30分钟进行相关电学特性检测。
性能测试结果分析：
1、从晶相结构上看，如图1所示，(Bi0.5Na0.5)0.7(Sr0.7Bi0.2)0.3TiO3陶瓷样品显示纯的钙钛矿结构特征，没有杂相，说明样品粉末得到良好的烧结。
2、通过铁电分析仪测试，从图2中可以看到，当测试电场强度为90kV/cm，频率为1Hz时，样品极化回线扁平且饱和极化值不高，表明样品存在一定的漏电流。
3、从图3可以看到实施例1的储能密度为1J/cm3，储能效率达到70％。
4、从图6可以看到所有实施例制备的掺钐钛酸铋钠-钛酸锶铋陶瓷均良好烧结，陶瓷表面整洁，气隙少，密度大，且不同实施例的晶粒尺寸变化不大。
实施例2：
一种具有高储能密度的掺钐钛酸铋钠-钛酸锶铋陶瓷材料，所述掺钐钛酸铋钠-钛酸锶铋陶瓷材料按照((Bi0.5Na0.5)0.7(Sr0.7Bi0.2)0.3)1-xSmx)TiO3的化学计量比称量粉料(其中x＝0.005)，即为((Bi0.5Na0.5)0.7(Sr0.7Bi0.2)0.3)0.995Sm0.005)TiO3，按以下步骤制备：
(1)原料准备：将高纯度(>98％)的TiO2、Bi2O3、Na2CO3、SrCO3、Sm2O3先置于100℃的烘箱中放置3小时去除水分，称量二氧化钛8.0672g、氧化铋9.6983g、碳酸钠1.8642g、碳酸锶3.1149g以及氧化钐0.0881g(精度为0.0001g)，混合得混合料备用；
(2)球磨制浆：将上述步骤(1)中的混合料、无水乙醇及氧化锆磨球按3∶1∶1的比例充分球磨12小时，得浆料备用；
(3)煅烧球磨：将上述浆料放入100℃烘箱干燥，过筛后压制成坯，盖上氧化铝坩埚并在850℃煅烧3小时，将煅烧好的坯料再次球磨12小时，烘干并过筛得到陶瓷粉料备用；
(4)成型处理：采用不锈钢压具将粉料压制成厚度1mm、直径10mm的圆片，经过300MPa压力冷等静压成型，然后将圆片覆盖上述陶瓷粉料在1140℃烧结，保温2小时，随后取出在空气中淬火急冷得到陶瓷样品，再打磨抛光，得掺钐钛酸铋钠-钛酸锶铋陶瓷材料。
检测：选出部分样品在1000℃热腐蚀30分钟，用于观察表面微观形貌特征，剩余样品两面涂刷银浆并在500℃保温30分钟，镀上银电极制得陶瓷元件，将样品在40℃、50kV/cm电场环境下极化30分钟进行相关电学特性检测。
性能测试结果分析：
1、从晶相结构上看，如图1所示，((Bi0.5Na0.5)0.7(Sr0.7Bi0.2)0.3)0.995Sm0.005)TiO3陶瓷样品显示纯的钙钛矿结构特征，没有杂相，说明样品粉末得到良好的烧结。
2、通过铁电分析仪测试，从图2中可以看到，当测试电场强度为90kV/cm，频率为1Hz时，样品极化回线抬头，对比实施例1饱和极化值快速上升，这与实施例1样品的氧空位减少有关，适量钐的掺杂弥补了烧结过程中铋的挥发，使晶格中氧空位数量下降。从而，氧空位的减少使样品的漏电流减小。
3、从图3可以看到实施例2的储能密度为1.25J/cm3，储能效率达到73％。
4、从图4可以看到实施例2的储能密度在20-120℃范围内稳定在±5％之间，且储能效率随温度上升缓慢增加，体现出良好的温度稳定性。
5、由图5可以看到，对比背景技术报道的无铅储能陶瓷体系，实施例2具有突出的储能潜力(1.4J cm-2kV-1)和储能密度(1.25J cm-3)。
实施例3：
一种具有高储能密度的掺钐钛酸铋钠-钛酸锶铋陶瓷材料，所述掺钐钛酸铋钠-钛酸锶铋陶瓷材料按照((Bi0.5Na0.5)0.7(Sr0.7Bi0.2)0.3)1-xSmx)TiO3的化学计量比称量粉料(其中x＝0.01)，即为((Bi0.5Na0.5)0.7(Sr0.7Bi0.2)0.3)0.99Sm0.01)TiO3，按以下步骤制备：
(1)原料准备：将高纯度(>98％)的TiO2、Bi2O3、Na2CO3、SrCO3、Sm2O3先置于100℃的烘箱中放置3小时去除水分，称量二氧化钛8.0672g、氧化铋9.6006g、碳酸钠1.8548g、碳酸锶3.1002g以及氧化钐0.1761g(精度为0.0001g)，混合得混合料备用；
(2)球磨制浆：将上述步骤(1)中的混合料、无水乙醇及氧化锆磨球按3∶1∶1的比例充分球磨12小时，得浆料备用；
(3)煅烧球磨：将上述浆料放入100℃烘箱干燥，过筛后压制成坯，盖上氧化铝坩埚并在850℃煅烧3小时，将煅烧好的坯料再次球磨12小时，烘干并过筛得到陶瓷粉料备用；
(4)成型处理：采用不锈钢压具将粉料压制成厚度1mm、直径10mm的圆片，经过300MPa压力冷等静压成型，然后将圆片覆盖上述陶瓷粉料在1150℃烧结，保温2小时，随后取出在空气中淬火急冷得到陶瓷样品，再打磨抛光，得掺钐钛酸铋钠-钛酸锶铋陶瓷材料。
检测：选出部分样品在1000℃热腐蚀30分钟，用于观察表面微观形貌特征，剩余样品两面涂刷银浆并在500℃保温30分钟，镀上银电极制得陶瓷元件，将样品在40℃、50kV/cm电场环境下极化30分钟进行相关电学特性检测。
性能测试结果分析：
1、从晶相结构上看，如图1所示，((Bi0.5Na0.5)0.7(Sr0.7Bi0.2)0.3)0.99Sm0.01)TiO3陶瓷样品显示纯的钙钛矿结构特征，没有杂相，说明样品粉末得到良好的烧结。
2、通过铁电分析仪测试，从图2中可以看到，当测试电场强度为90kV/cm，频率为1Hz时，样品极化回线下降，对比实施例2饱和极化值快速下降，与实施例1基本相同，说明掺杂过量的钐使材料结构中缺陷增加，从而增大了漏电流。
3、从图3可以看到实施例3的储能密度为1.2J/cm3，储能效率达到78％。
实施例4：
一种具有高储能密度的掺钐钛酸铋钠-钛酸锶铋陶瓷材料，所述掺钐钛酸铋钠-钛酸锶铋陶瓷材料按照((Bi0.5Na0.5)0.7(Sr0.7Bi0.2)0.3)1-xSmx)TiO3的化学计量比称量粉料(其中x＝0.02)，即为((Bi0.5Na0.5)0.7(Sr0.7Bi0.2)0.3)0.98Sm0.02)TiO3，按以下步骤制备：
(1)原料准备：将高纯度(>98％)的TiO2、Bi2O3、Na2CO3、SrCO3、Sm2O3先置于100℃的烘箱中放置3小时去除水分，称量二氧化钛8.0672g、氧化铋9.5036g、碳酸钠1.8361g、碳酸锶3.0689g以及氧化钐0.3522g(精度为0.0001g)，混合得混合料备用；
(2)球磨制浆：将上述步骤(1)中的混合料、无水乙醇及氧化锆磨球按3∶1∶1的比例充分球磨12小时，得浆料备用；
(3)煅烧球磨：将上述浆料放入100℃烘箱干燥，过筛后压制成坯，盖上氧化铝坩埚并在850℃煅烧3小时，将煅烧好的坯料再次球磨12小时，烘干并过筛得到陶瓷粉料备用；
(4)成型处理：采用不锈钢压具将粉料压制成厚度1mm、直径10mm的圆片，经过300MPa压力冷等静压成型，然后将圆片覆盖上述陶瓷粉料在1160℃烧结，保温2小时，随后取出在空气中淬火急冷得到陶瓷样品，再打磨抛光，得掺钐钛酸铋钠-钛酸锶铋陶瓷材料。
检测：选出部分样品在1000℃热腐蚀30分钟，用于观察表面微观形貌特征，剩余样品两面涂刷银浆并在500℃保温30分钟，镀上银电极制得陶瓷元件，将样品在40℃、50kV/cm电场环境下极化30分钟进行相关电学特性检测。
性能测试结果分析：
1、从晶相结构上看，如图1所示，((Bi0.5Na0.5)0.7(Sr0.7Bi0.2)0.3)0.98Sm0.02)TiO3陶瓷样品显示纯的钙钛矿结构特征，没有杂相，说明样品粉末得到良好的烧结。
2、通过铁电分析仪测试，从图2中可以看到，当测试电场强度为90kV/cm，频率为1Hz时，样品极化回线下降，对比实施例3饱和极化值继续下降，说明掺杂过量的钐使材料结构中缺陷增加，从而增大了漏电流。
3、从图3可以看到实施例4的储能密度为1.0J/cm3，储能效率下降到73％。
实施例5：
一种具有高储能密度的掺钐钛酸铋钠-钛酸锶铋陶瓷材料，所述掺钐钛酸铋钠-钛酸锶铋陶瓷材料按照((Bi0.5Na0.5)0.7(Sr0.7Bi0.2)0.3)1-xSmx)TiO3的化学计量比称量粉料(其中x＝0.03)，即为((Bi0.5Na0.5)0.7(Sr0.7Bi0.2)0.3)0.97Sm0.03)TiO3，按以下步骤制备：
(1)原料准备：将高纯度(>98％)的TiO2、Bi2O3、Na2CO3、SrCO3、Sm2O3先置于100℃的烘箱中放置3小时去除水分，称量二氧化钛8.0672g、氧化铋9.4066g、碳酸钠1.8173g、碳酸锶3.0376g以及氧化钐0.5283g(精度为0.0001g)，混合得混合料备用；
(2)球磨制浆：将上述步骤(1)中的混合料、无水乙醇及氧化锆磨球按3∶1∶1的比例充分球磨12小时，得浆料备用；
(3)煅烧球磨：将上述浆料放入100℃烘箱干燥，过筛后压制成坯，盖上氧化铝坩埚并在850℃煅烧3小时，将煅烧好的坯料再次球磨12小时，烘干并过筛得到陶瓷粉料备用；
(4)成型处理：采用不锈钢压具将粉料压制成厚度1mm、直径10mm的圆片，经过300MPa压力冷等静压成型，然后将圆片覆盖上述陶瓷粉料在1180℃烧结，保温2小时，随后取出在空气中淬火急冷得到陶瓷样品，再打磨抛光，得掺钐钛酸铋钠-钛酸锶铋陶瓷材料。
检测：选出部分样品在1000℃热腐蚀30分钟，用于观察表面微观形貌特征，剩余样品两面涂刷银浆并在500℃保温30分钟，镀上银电极制得陶瓷元件，将样品在40℃、50kV/cm电场环境下极化30分钟进行相关电学特性检测。
性能测试结果分析：
1、从晶相结构上看，如图1所示，((Bi0.5Na0.5)0.7(Sr0.7Bi0.2)0.3)0.97Sm0.03)TiO3陶瓷样品显示纯的钙钛矿结构特征，没有杂相，说明样品粉末得到良好的烧结。
2、通过铁电分析仪测试，从图2中可以看到，当测试电场强度为90kV/cm，频率为1Hz时，样品极化回线下降，对比实施例4饱和极化值继续下降，说明掺杂过量的钐使材料结构中缺陷增加，从而增大了漏电流。
3、从图3可以看到实施例4的储能密度为0.9J/cm3，储能效率为74％。
由上述实施例和相关检测可知：实施例2所制得的掺钐钛酸铋钠-钛酸锶铋陶瓷陶瓷，在90kV/cm的电场下，储能密度为1.25J/cm3，储能效率达到73％；而实施例3在90kV/cm的电场下，储能密度下降到1.2J/cm3，但储能效率提升到78％；对比背景技术报道的各类无铅储能陶瓷体系，实施例2具有突出的储能潜力(1.4J cm-2kV-1)和储能密度(1.25J cm-3)，特别地，储能密度在20-120℃的温度范围内稳定在±5％之间，可应用于高温环境储能装置。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种具有高储能密度的掺钐钛酸铋钠-钛酸锶铋陶瓷材料，其特征在于，所述掺钐钛酸铋钠-钛酸锶铋陶瓷材料的组成的化学计量比为((Bi0.5Na0.5)0.7(Sr0.7Bi0.2)0.3)1-xSmx)TiO3，且其中0≤x≤0.03。
2.一种具有高储能密度的掺钐钛酸铋钠-钛酸锶铋陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述掺钐钛酸铋钠-钛酸锶铋陶瓷材料的制备工艺包括以下步骤：
(1)原料准备：将纯度大于98％的TiO2、Bi2O3、Na2CO3、SrCO3、Sm2O3置于烘箱中放置干燥除水，后按照上述权利要求1的材料化学计量比称重，后混合，得混合料备用；
(2)球磨制浆：将上述步骤(1)中的混合料加入无水乙醇和氧化锆磨球，后置于球磨罐中充分球磨，得浆料备用；
(3)煅烧球磨：将上述浆料置于烘箱中干燥后，过筛压制成坯，后煅烧处理，得煅烧料，并将煅烧料按照步骤(2)中的方式再次球磨，得球磨料烘并过筛，得陶瓷粉料备用；
(4)成型处理：将上述陶瓷粉料采用模具压制成型，得成型圆片，后通过冷等静压法处理，再将成型圆片覆盖上述陶瓷粉料进行烧结，后取出淬火急冷，再打磨抛光，得掺钐钛酸铋钠-钛酸锶铋陶瓷材料。
3.根据权利要求2所述的一种具有高储能密度的掺钐钛酸铋钠-钛酸锶铋陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中TiO2、Bi2O3、Na2CO3、SrCO3、Sm2O3烘箱中干燥的温度为100-120℃，且干燥的时间3h。
4.根据权利要求2所述的一种具有高储能密度的掺钐钛酸铋钠-钛酸锶铋陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中混合料、无水乙醇和氧化锆磨球的质量比为3∶1∶1。
5.根据权利要求2所述的一种具有高储能密度的掺钐钛酸铋钠-钛酸锶铋陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)和步骤(3)中球磨的时间为10-14h。
6.根据权利要求2所述的一种具有高储能密度的掺钐钛酸铋钠-钛酸锶铋陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中煅烧的温度为850-1000℃，煅烧时间为2-3h。
7.根据权利要求2所述的一种具有高储能密度的掺钐钛酸铋钠-钛酸锶铋陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中成型圆片的厚度为1-1.5mm，直径为10-12mm。
8.根据权利要求2所述的一种具有高储能密度的掺钐钛酸铋钠-钛酸锶铋陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中冷等静压法处理的压强为250-300MPa。
9.根据权利要求2所述的一种具有高储能密度的掺钐钛酸铋钠-钛酸锶铋陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中烧结的温度为1130-1200℃，烧结时间为2h。
10.根据权利要求2所述的一种具有高储能密度的掺钐钛酸铋钠-钛酸锶铋陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中淬火急冷的方式为将材料直接取出于空气中急冷。
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