CN116082033B - 基于钛酸钡基制冷陶瓷的制备方法及电卡材料 - Google Patents

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Abstract

公开了基于钛酸钡基的电卡制冷陶瓷的化学组分及制备方法,陶瓷的组分为Ba(Ti1‑x,Snx)O3和Ba(Ti1‑y,Hfy)O3,其中,0.05≤x≤0.20,0.05≤y≤0.20,原料包括BaCO3、TiO2、SnO2和HfO2。本公开还揭示了一种电卡制冷陶瓷的制备方法。本公开通过在BaTiO3中掺杂一定比例的Sn元素和Hf元素,获得具有不同x,y取值的Ba(Ti1‑x,Snx)O3和Ba(Ti1‑y,Hfy)O3粉料,并将不同组分粉料按顺序组合形成叠层结构的粉料,最终获得具有叠层结构的陶瓷,实现了具有超宽温度范围的电卡制冷陶瓷。

Description

基于钛酸钡基制冷陶瓷的制备方法及电卡材料
技术领域
本发明涉及固态制冷材料技术领域,尤其涉及一种基于钛酸钡的电卡制冷陶瓷及其制备方法。
背景技术
铁电材料在加电场和去电场过程中,其自发极化会在有序排列和无须排列两种状态中切换,并对外界环境产生放热和吸热效应,该现象称为电卡效应,可以用来制冷。基于电卡效应的制冷技术具有能量转换效率高、无噪音、环境友好、可集成、易于操作等特点,已成为下一代制冷技术的有力候选者。通常而言,铁电材料仅在其居里温度附近表现出大的电卡效应,而在偏离居里温度的其它温度区间,铁电材料的电卡效应急剧减弱,难以实现高效电卡制冷。如何开发在更宽温度区间具有更大电卡效应的电卡制冷材料,是推动其走向应用的关键问题。
近期研究发现,在BaTiO3陶瓷中掺杂Sn元素或Hf元素可以构造三临界点,处于三临界点处的铁电陶瓷由于极化更容易在电场激励下翻转,因而具有更大电卡效应。同时,三临界铁电陶瓷的居里温度可以通过调整Sn元素或Hf元素的掺杂比例予以调控。本发明通过在BaTiO3陶瓷中掺杂不同比例的Sn元素或Hf元素,构造具有不同居里温度的一系列三临界铁电陶瓷,并按居里温度的高低依次进一步将这些三临界陶瓷制备成叠层结构,实现了在超宽工作温度区间具有大电卡效应的电卡制冷材料制备。
在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解,因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。
发明内容
针对现有技术中的不足,本发明的目的,是保护一种在超宽工作温度区间具有大电卡效应的电卡制冷陶瓷及其制备方法,通过在BaTiO3陶瓷中掺杂不同比例的Sn元素或Hf元素,构造具有不同居里温度的一系列三临界电卡制冷陶瓷,并按居里温度的高低依次将其堆叠,从而获得具有叠层结构的在超宽工作温度区间具有大电卡效应的电卡制冷陶瓷。
为了实现上述目的,本发明提供如下技术方案:
本发明的一种基于钛酸钡基制冷陶瓷的制备方法包括:
步骤S100、按化学式Ba(Ti1-x,Snx)O3和Ba(Ti1-y,Hfy)O3中元素的配比称取原料,原料包括BaCO3、TiO2、SnO2和HfO2,其中x和y在0.05-0.2范围内取值;
步骤S200、混合称取的原料形成混合料,放入球磨罐中以预定转速球磨第一时刻,放入烘箱内第一温度烘干第二时刻,再放入研钵中研磨后过筛得到粉料;
步骤S300、所述粉料放入坩埚内后加盖;在马弗炉中以第二温度预烧且保温第三时刻后自然冷却到室温,出炉;
步骤S400、粉料再次研钵后装入球磨罐进行以预定转速二次球磨第四时刻,再将粉料放入烘箱以第一温度烘干;
步骤S500、将所述烘干的粉料研磨后加入其质量分数8%的PVA混合造粒后过筛选出粒径为0.15mm至0.28mm的粒料;
步骤S600、所述粒料连续平铺至压片用的模具中形成胚件,所述胚件在1425~1475℃温度下烧结4-6小时后冷却至室温形成陶瓷片,所述陶瓷片的上表面和/或下表面涂敷银浆,在第三温度下保温第五时刻,冷却至室温。
所述的一种基于钛酸钡基制冷陶瓷的制备方法中,步骤S100中,x分别取值0.09、0.105或0.12,y分别取值为0.09,0.11或0.13。
所述的一种基于钛酸钡基制冷陶瓷的制备方法中,所述陶瓷片为三临界铁电陶瓷,其中,在BaTiO3陶瓷中掺杂不同比例的Sn元素和Hf元素构造具有不同居里温度的三临界铁电陶瓷。
所述的一种基于钛酸钡基制冷陶瓷的制备方法中,不同居里温度的三临界铁电陶瓷按居里温度的高低依次堆叠形成叠层结构。
所述的一种基于钛酸钡基制冷陶瓷的制备方法中,步骤S200中,第一时刻为4小时,预定转速为60转/分,第一温度为90℃,第二时刻为2小时。
所述的一种基于钛酸钡基制冷陶瓷的制备方法中,步骤S200中,球磨罐中加入无水乙醇和玛瑙球,过筛为过60目筛。
所述的一种基于钛酸钡基制冷陶瓷的制备方法中,步骤S300中,所述第二温度为1350℃,第三时刻相同于第一时刻。
所述的一种基于钛酸钡基制冷陶瓷的制备方法中,第四时刻大于第一时刻,第三温度为800℃,第五时刻为0.5小时。
一种电卡材料包括所述的一种基于钛酸钡基制冷陶瓷的制备方法制备的陶瓷片。
所述的一种电卡材料为多个所述陶瓷片堆叠形成的叠层结构,多个所述陶瓷片分别经由不同x和y的化学式Ba(Ti1-x,Snx)O3和Ba(Ti1-y,Hfy)O3中元素的配比称取原料制备。
在上述技术方案中,本发明提供的一种基于钛酸钡基制冷陶瓷的制备方法及电卡材料,具有以下有益效果:本发明所述的一种基于钛酸钡基制冷陶瓷的制备方法在BaTiO3陶瓷中掺杂Sn元素或Hf元素构造三临界点,处于三临界点处的铁电陶瓷由于极化更容易在电场激励下翻转,因而具有更大电卡效应。同时,三临界铁电陶瓷的居里温度可以通过调整Sn元素或Hf元素的掺杂比例予以调控,将这些三临界陶瓷制备成叠层结构,实现了在超宽工作温度区间具有大电卡效应的电卡制冷材料制备。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一个实施例提供的一种制冷陶瓷的叠层结构示意图;
图2为本发明一个实施例提供的一种电卡制冷陶瓷的电卡效应示意图;
图3为本发明另一个实施例提供的一种电卡制冷陶瓷的电卡效应示意图;
图4为本发明另一个实施例提供的一种电卡制冷陶瓷的电卡效应示意图。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施方式对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施方式是本发明一部分实施方式,而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式,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方式,都属于本发明保护的范围。
因此,以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围,而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式,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方式,都属于本发明保护的范围。
应注意到:相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项,因此,一旦某一项在一个附图中被定义,则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中,“多个”的含义是两个或两个以上,除非另有明确具体的限定。
在本发明中,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或成一体;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中,除非另有明确的规定和限定,第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触,也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且,第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方,或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方,或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案,下面将结合附图1至图4对本发明作进一步的详细介绍。一种基于钛酸钡基制冷陶瓷的制备方法包括,
步骤S100、按化学式Ba(Ti1-x,Snx)O3和Ba(Ti1-y,Hfy)O3中元素的配比称取原料,原料包括BaCO3、TiO2、SnO2和HfO2,其中x和y在0.05-0.2范围内取值;
步骤S200、混合称取的原料形成混合料,放入球磨罐中以预定转速球磨第一时刻,放入烘箱内第一温度烘干第二时刻,再放入研钵中研磨后过筛得到粉料;
步骤S300、所述粉料放入坩埚内后加盖;在马弗炉中以第二温度预烧且保温第三时刻后自然冷却到室温,出炉;
步骤S400、粉料再次研钵后装入球磨罐进行以预定转速二次球磨第四时刻,再将粉料放入烘箱以第一温度烘干;
步骤S500、将所述烘干的粉料研磨后加入其质量分数8%的PVA混合造粒后过筛选出粒径为0.15mm至0.28mm的粒料;
步骤S600、所述粒料连续平铺至压片用的模具中形成胚件,所述胚件在1425~1475℃温度下烧结4-6小时后冷却至室温形成陶瓷片,所述陶瓷片的上表面和/或下表面涂敷银浆,在第三温度下保温第五时刻,冷却至室温。
所述的一种基于钛酸钡基制冷陶瓷的制备方法的优选实施方式中,步骤S100中,x分别取值0.09、0.105或0.12,y分别取值为0.09,0.11或0.13。
所述的一种基于钛酸钡基制冷陶瓷的制备方法的优选实施方式中,所述陶瓷片为三临界铁电陶瓷,其中,在BaTiO3陶瓷中掺杂不同比例的Sn元素和Hf元素构造具有不同居里温度的三临界铁电陶瓷。
所述的一种基于钛酸钡基制冷陶瓷的制备方法的优选实施方式中,不同居里温度的三临界铁电陶瓷按居里温度的高低依次堆叠形成叠层结构。
所述的一种基于钛酸钡基制冷陶瓷的制备方法的优选实施方式中,步骤S200中,第一时刻为4小时,预定转速为60转/分,第一温度为90℃,第二时刻为2小时。
所述的一种基于钛酸钡基制冷陶瓷的制备方法的优选实施方式中,步骤S200中,球磨罐中加入无水乙醇和玛瑙球,过筛为过60目筛。
所述的一种基于钛酸钡基制冷陶瓷的制备方法的优选实施方式中,步骤S300中,所述第二温度为1350℃,第三时刻相同于第一时刻。
所述的一种基于钛酸钡基制冷陶瓷的制备方法的优选实施方式中,第四时刻大于第一时刻,第三温度为800℃,第五时刻为0.5小时。
一个实施例中,原料组分为Ba(Ti1-x,Snx)O3或Ba(Ti1-y,Hfy)O3,通过在5%-20%的范围内调节Sn和Hf的含量,寻找在25℃-100℃温度范围内具有一系列不同居里温度的钛酸钡基电卡制冷陶瓷。通过在BaTiO3陶瓷中掺杂不同比例的Sn元素和Hf元素,构造具有不同居里温度的一系列三临界铁电陶瓷,并按居里温度的高低依次将其堆叠,制备成具有叠层结构的在超宽工作温度区间具有大电卡效应的电卡制冷陶瓷。
一个实施例中,钛酸钡基制冷陶瓷的制备方法步骤如下:
步骤S100、按化学式Ba(Ti1-x,Snx)O3和Ba(Ti1-y,Hfy)O3中各元素的配比称取原料BaCO3、TiO2、SnO2和HfO2,其中x和y在5%-20%范围内取值;
步骤S200、将称取的原料混合后放入球磨罐中,加入球磨溶剂无水乙醇和玛瑙球,球磨4小时,球磨转速为60转/分,再将混合料放入烘箱内90℃烘干2小时,再放入研钵中研磨,过60目筛;
步骤S300、将步骤S200中处理后的粉料放入坩埚内,压实,加盖;在马弗炉中于1350℃预烧,保温4小时,自然冷却到室温,出炉;
步骤S400、在预烧的粉料在研钵中研磨成细粉,装入球磨罐中,加入球磨介质无水乙醇,进行二次球磨,转速为60转/分,持续6小时,将混合料放入烘箱中90℃烘干;
步骤S500、将烘干的粉料在研钵中研磨,加入质量分数为8%的PVA,混合均匀,过筛选出粒径为0.15mm至0.28mm的粉料;
步骤S600、将造粒形成的粉料按x,y取值的不同,称取一定量粉料,连续平铺至压片用的不锈钢模具中,在30MPa压力下保压90秒成型为胚件;
步骤S700、将压制成型的胚件在1425~1475℃温度下烧结4-6小时,然后随炉冷却至室温。
步骤S800、将烧结的陶瓷片打磨光滑,并在上下表面涂敷银浆,在800℃下保温0.5小时,然后随炉冷却至室温。
步骤S900、测试陶瓷的电卡制冷能力。
一种电卡材料包括所述的一种基于钛酸钡基制冷陶瓷的制备方法制备的陶瓷片。
所述的一种电卡材料为多个所述陶瓷片堆叠形成的叠层结构,多个所述陶瓷片分别经由不同x和y的化学式Ba(Ti1-x,Snx)O3和Ba(Ti1-y,Hfy)O3中元素的配比称取原料制备。
在一个实施例中,x分别取值0.09,0.105,0.12,相应陶瓷组分分别为Ba(Ti0.91,Sn0.09)O3,Ba(Ti0.895,Sn0.105)O3,Ba(Ti0.88,Sn0.12)O3,分别记为BTS9,BTS10.5,BTS12,y分别取值为0.09,0.11,0.13,相应陶瓷组分分别为Ba(Ti0.91,Hf0.09)O3,Ba(Ti0.89,Hf0.11)O3,Ba(Ti0.87,Hf0.13)O3,分别记为BTH9,BTH11,BTH13,记为实施例1.
在步骤S600中,依次将一定质量的BTH9,BTH11,BTH13,BTS9,BTS10.5,BTS12粉料均匀平铺至不锈钢模具中,然后在30MPa压力下保压90秒成型为胚件;在1425-1475℃马弗炉中烧结4小时,随炉自然冷却至室温;经步骤S800制备电极后得到电卡制冷陶瓷。所制备的电卡制冷陶瓷在20kV/cm的外加电场下,在30℃-90℃的温度范围内均表现出超过0.3K的电卡温度变化。说明该陶瓷在超宽工作温度区间具有大电卡制冷效应。
如图2所示,在20kV/cm的电场作用下,在30-90℃的温度范围内,实施例1的电卡材料均表现出超过0.3K的电卡温度变化。
在另一个实施例中,x分别取值0.05,0.10,0.15,相应陶瓷组分分别为Ba(Ti0.95,Sn0.05)O3,Ba(Ti0.90,Sn0.10)O3,Ba(Ti0.85,Sn0.15)O3,分别记为BTS5,BTS10,BTS15,y分别取值为0.05,0.10,0.15,相应陶瓷组分分别为Ba(Ti0.95,Hf0.05)O3,Ba(Ti0.90,Hf0.10)O3,Ba(Ti0.85,Hf0.15)O3,分别记为BTH5,BTH10,BTH15,记为实施例2.
在步骤S600中,依次将一定质量的BTH5,BTH10,BTH15,BTS5,BTS10,BTS15粉料均匀平铺至不锈钢模具中,然后在30MPa压力下保压90秒成型为胚件;在1425-1475℃马弗炉中烧结4小时,随炉自然冷却至室温;经步骤S800制备电极后得到电卡制冷陶瓷。所制备的电卡制冷陶瓷在20kV/cm的外加电场下,在30℃-90℃的温度范围内表现出0.3K左右的电卡温度变化。
如图3所示,在20kV/cm的电场作用下,在30-90℃的温度范围内,实施例2的电卡材料均表现出0.3K左右的电卡温度变化。
在另一个实施例中,x分别取值0.10,0.15,0.20,相应陶瓷组分分别为Ba(Ti0.90,Sn0.10)O3,Ba(Ti0.85,Sn0.15)O3,Ba(Ti0.80,Sn0.20)O3,分别记为BTS10,BTS15,BTS20,y分别取值为0.10,0.15,0.20,相应陶瓷组分分别为Ba(Ti0.90,Hf0.10)O3,Ba(Ti0.85,Hf0.15)O3,Ba(Ti0.80,Hf0.20)O3,分别记为BTH10,BTH15,BTH20,记为实施例3.
在步骤S600中,依次将一定质量的BTH10,BTH15,BTH20,BTS10,BTS15,BTS20粉料均匀平铺至不锈钢模具中,然后在30MPa压力下保压90秒成型为胚件;在1425-1475℃马弗炉中烧结4小时,随炉自然冷却至室温;经步骤S800制备电极后得到电卡制冷陶瓷。所制备的电卡制冷陶瓷在20kV/cm的外加电场下,在30℃-90℃的温度范围内均表现出0.3K左右的电卡温度变化。说明该陶瓷在超宽工作温度区间具有大电卡制冷效应。
如图4所示,在20kV/cm的电场作用下,在30-90℃的温度范围内,实施例3的电卡材料表现出0.3K左右的电卡温度变化。
图2至图4是根据上述三个实施例所述方法制备的三种不同叠层结构的电卡制冷陶瓷的电卡效应示意图。如图3和图4所示,BTS5,BTS10,BTS15,BTH5,BTH10,BTH15和BTH10,BTH15,BTH20,BTS10,BTS15,BTS20这两种叠层结构的电卡制冷陶瓷,在20kV/cm的电场作用下,温度稳定性好,但电卡温度变化较小,均在0.3K左右。如图2所示,BTH9,BTH11,BTH13,BTS9,BTS10.5,BTS12叠层结构的电卡制冷陶瓷,在20kV/cm的电场作用下,不仅温度稳定性好,且电卡温度变化较大,均超过0.3K,说明由该实施例所述方法制备的电卡制冷陶瓷,通过调整Sn元素或Hf元素的掺杂比例予以调控叠层结构,在超宽温度范围实现了大电卡效应。
最后应该说明的是:所描述的实施例仅是本申请-部分实施例,而不是全部的实施例,基于本申请中的实施例,本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例,都属于本申请保护的范围。
以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例,毋庸置疑,对于本领域的普通技术人员,在不偏离本发明的精神和范围的情况下,可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此,上述附图和描述在本质上是说明性的,不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (6)

1.一种基于钛酸钡基制冷陶瓷的制备方法,其特征在于,其包括以下步骤:
步骤S100、按化学式Ba(Ti1-x,Snx)O3和Ba(Ti1-y,Hfy)O3中元素的配比称取原料,原料包括BaCO3、TiO2、SnO2和HfO2,其中x和y在0.05-0.20范围内取值;
步骤S200、混合称取的原料形成混合料,放入球磨罐中以预定转速球磨第一时刻,放入烘箱内第一温度烘干第二时刻,再放入研钵中研磨后过筛得到粉料;
步骤S300、所述粉料放入坩埚内后加盖;在马弗炉中以第二温度预烧且保温第三时刻后自然冷却到室温,出炉;其中所述第二温度为1350℃,第三时刻为4小时;
步骤S400、粉料再次研钵后装入球磨罐进行以预定转速二次球磨第四时刻,再将粉料放入烘箱以第一温度烘干;
步骤S500、将所述烘干的粉料研磨后加入其质量分数8%的PVA混合造粒后过筛选出粒径为0.15mm至0.28mm的粒料;
步骤S600、将造粒形成的粉料按x,y取值的不同,称取一定量粉料,连续平铺至压片用的不锈钢模具中,在30MPa压力下保压90秒成型为胚件;
步骤S700、将压制成型的胚件在1425~1475℃温度下烧结4-6小时,然后随炉冷却至室温;
步骤S800、将烧结的陶瓷片打磨光滑,并在上下表面涂敷银浆,在800℃下保温0.5小时,然后随炉冷却至室温;
步骤S900、测试陶瓷的电卡制冷能力;
其中,经步骤S800制备电极后得到电卡制冷陶瓷,所述电卡制冷陶瓷在20kV/cm的外加电场下,在30℃-90℃的温度范围内均表现出超过0.3K的电卡温度变化,所述陶瓷片为三临界铁电陶瓷,其中,在BaTiO3陶瓷中掺杂不同比例的Sn元素和Hf元素构造具有不同居里温度的三临界铁电陶瓷,不同居里温度的三临界铁电陶瓷按居里温度的高低依次堆叠形成叠层结构。
2.根据权利要求1所述的一种基于钛酸钡基制冷陶瓷的制备方法,其特征在于,步骤S100中,x分别取值0.09、0.105或0.12,y分别取值为0.09,0.11或0.13。
3.根据权利要求1所述的一种基于钛酸钡基制冷陶瓷的制备方法,其特征在于,步骤S200中,第一时刻为4小时,预定转速为60转/分,第一温度为90℃,第二时刻为2小时。
4.根据权利要求1所述的一种基于钛酸钡基制冷陶瓷的制备方法,其特征在于,步骤S200中,球磨罐中加入无水乙醇和玛瑙球,过筛为过60目筛。
5.根据权利要求1所述的一种基于钛酸钡基制冷陶瓷的制备方法,其特征在于,第四时刻大于第一时刻。
6.一种电卡材料,其特征在于,其根据权利要求1-5中任一项所述的一种基于钛酸钡基制冷陶瓷的制备方法制得。
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