[發(fā)明專利]鉍基無鉛高儲能密度陶瓷材料及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811180655.6
• 申請日: 2018-10-09
• 公開（公告）號: CN109354492B
• 公開（公告）日: 2021-08-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 周佳駿;童興野;宋岷蔚;劉紅;方敬忠
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所
• 主分類號: C04B35/475
• 分類號: C04B35/475;C04B35/47;C04B35/622
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本發(fā)明公開一種鉍基無鉛高儲能密度陶瓷材料及其制備方法，涉及電子陶瓷與元器件技術(shù)領(lǐng)域，用于儲能電容器應(yīng)用的相關(guān)領(lǐng)域。該材料的化學(xué)成分符合通式：(1?x)Bi_0.5Na_0.5TiO₃+x SrTiO₃+ywt％Nb₂O₅，采用傳統(tǒng)的陶瓷制備工藝合成。通過Nb的加入，使得陶瓷的晶粒尺寸得到細(xì)化，擊穿場強(qiáng)提高。本發(fā)明制作的陶瓷元件，在E＝13kV/mm的直流電場下，可以獲得W_rec～1.8J/cm³的儲能密度，能量效率η可以達(dá)到80％；同時，該材料的儲能性能的溫度穩(wěn)定性良好。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種用于儲能電子元器件的陶瓷材料，具體是一種鉍基無鉛高儲能密度陶瓷材料及其制備方法。

背景技術(shù)

高儲能密度脈沖功率電容器以其高功率密度、高工作電壓、大放電電流等特性成為脈沖功率技術(shù)的基本儲能元件，廣泛應(yīng)用于點(diǎn)火器、高功率微波武器、電磁彈射、高能激光和粒子加速器等場合。

目前，在該元器件應(yīng)用領(lǐng)域，儲能電容元件根據(jù)所使用的介電材料主要分為兩種：有機(jī)薄膜電容器和疊層介電陶瓷電容器。薄膜電容器使用高分子塑料膜做為中間的介電材料，薄膜上面的金屬電極通過濺射沉積而成。該類型電容器擁有自愈合能力，具有電壓高、壽命長等優(yōu)勢，但是能量密度較低。常用的三種無機(jī)介電陶瓷材料分別為：I類介電陶瓷(線性介質(zhì))，II類鐵電陶瓷和反鐵電陶瓷三類陶瓷材料。I類材料以TiO₂為代表，介電常數(shù)～100，儲能密度～1.0J/cm³。II類材料以BaTiO₃基材料為代表，擊穿場強(qiáng)較低E_b～35kV/mm，儲能密度～1.5J/cm³。反鐵電陶瓷以PZST為代表具有最高的儲能密度～10J/cm³、適中的介電常數(shù)和較高的擊穿場強(qiáng)E_b～35kV/mm，非常適合于脈沖功率電容器的應(yīng)用需求。

目前市場上使用的反鐵電儲能陶瓷原材料一般都含有鉛元素，而且鉛含量超過60wt％。當(dāng)該類陶瓷在生產(chǎn)過程中或者暴露在酸性環(huán)境中時，Pb會游離出來造成環(huán)境損害。2002年，歐盟制定了RoHS法律限制包括Pb在內(nèi)的6種有害元素在電子產(chǎn)品中的使用。我國也在2007年實施了《電子信息產(chǎn)品污染防治管理辦法》。基于此類情況，開發(fā)研制綠色環(huán)保的反鐵電儲能陶瓷材料成為一項具有環(huán)境和經(jīng)濟(jì)意義的任務(wù)。

Bi_0.5Na_0.5TiO₃(BNT)壓電陶瓷室溫時為三方相結(jié)構(gòu)，具有較大的剩余極化強(qiáng)度(P_r＝38μC/cm²)和較高的居里溫度(T_c＝320℃)，在230℃附近時存在退極化溫度(T_d)。在BNT陶瓷中加入SrTiO₃，可以將T_d下移至室溫附近。此時，在電場驅(qū)動下會發(fā)生弛豫相與鐵電相的可逆轉(zhuǎn)變，P-E曲線則顯示出反鐵電特性，可以得到較高的儲能密度。2016年，Ning Xu等人(J Mater Sci：Mater Electron(2016)27:12479-12484)通過兩步燒結(jié)的技術(shù)，在0.65BNT-0.35ST材料中獲得了0.95J/cm³的儲能密度。同年，WP Cao等人(J Eur Ceram Soc(2016)36:593–600)在0.70BNT-0.30ST材料中獲得了儲能密度0.65J/cm³，效率73.6％。以上的這些研究存在著儲能密度和效率都偏低的情況，BNT-ST材料的儲能性能還需要進(jìn)一步的進(jìn)行提升。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對現(xiàn)在鉍基無鉛陶瓷材料儲能密度和效率均偏低的問題，提供一種高儲能密度和效率的鉍基無鉛電子陶瓷，應(yīng)用于儲能電容器領(lǐng)域。

本發(fā)明鉍基無鉛高儲能陶瓷材料的化學(xué)組成符合以下的通式：