[發明專利]稀土元素Tm摻雜的鈮酸銀反鐵電陶瓷材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201910305422.2
• 申請日: 2019-04-16
• 公開（公告）號: CN111825451B
• 公開（公告）日: 2021-12-07
• 發明（設計）人: 毛朝梁;馬江雷;王根水;閆世光;董顯林
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: C04B35/495
• 分類號: C04B35/495;C04B35/622;C04B35/626;C04B35/638
• 代理公司: 上海瀚橋專利代理事務所(普通合伙) 31261
• 代理人: 曹芳玲;鄭優麗

本發明涉及稀土元素Tm摻雜的鈮酸銀反鐵電陶瓷材料及其制備方法，所述稀土元素Tm摻雜的鈮酸銀反鐵電陶瓷材料為單一鈣鈦礦結構，其組成通式為Ag_1?3xTm_xNbO₃，其中，0.01≤x≤0.08。

技術領域

本發明涉及一種鈮酸銀基反鐵電陶瓷材料及其制備方法，具體涉及稀土元素Tm摻雜的鈮酸銀反鐵電陶瓷材料及其制備方法和且該儲能陶瓷材料儲能介質電容器中的應用，屬于功能陶瓷材料技術領域。

背景技術

由于對能源，經濟和社會可持續發展的日益關注，儲能材料受到了極大的關注和研究興趣，這也是高效儲能設備的核心。目前所用的電能存儲裝置中，脈沖功率電容器具有快速充放電能力和高功率密度的優點，在脈沖功率技術中得到越來越廣泛的應用。如電磁脈沖炮、粒子加速器、地質勘探、醫療器械、靜電除塵等。但能量密度較低，通常比電化學電容器，電池低一個數量級。此外，電容器在脈沖功率設備中占比很大。據報道，脈沖功率電容器占了功率電子器件超過25％的體積和重量。因此，開發出具有小型化、輕量化、集成化的高儲能性能和高功率密度的脈沖功率設備成為了未來的前進方向。

作為電容器的介質材料一般分為有機和無機兩種。其中無機陶瓷電容器具有使用溫度范圍寬、損耗低、放電速度快等優點，在脈沖電容器中得到廣泛應用。它主要分為線性電介質陶瓷、鐵電電介質陶瓷和反鐵電電介質陶瓷三類。反鐵電陶瓷材料因為具有電場誘導的反鐵電-鐵電相變，并且在撤去電場后能夠在極短的時間內回到反鐵電相，從而釋放出大量的能量，相對于線性陶瓷和鐵電陶瓷來說具有更高的儲能密度和更快的放電速度。

目前研究最多的反鐵電陶瓷是含鉛材料體系。主要有：Pb(La,Zr,Ti)O₃基陶瓷和Pb(La,Zr,Sn,Ti)O₃基陶瓷。但是因為鉛對環境的污染及對人們生活健康帶來的危害性，研究者正在尋找一種可替代的無鉛反鐵電材料，其中具有鈣鈦礦結構的鈮酸銀(AgNbO₃)陶瓷作為一類反鐵電材料，它具有高的飽和極化強度和高的儲能密度，被視為非常有前景的反鐵電儲能材料之一。事實上，AgNbO₃材料在以往是被作為微波陶瓷和光催化材料而受到廣泛的研究。直到最近幾年，鈮酸銀(AgNbO₃)才作為儲能材料得到關注，成為儲能領域的研究熱點。

2016年Tian等人第一次將AgNbO₃陶瓷材料用在儲能領域。報道了在175kV/cm的電場條件下，純AgNbO₃陶瓷的儲能密度W_rec高達2.1J/cm³。但是純AgNbO₃陶瓷具有室溫下的亞鐵電相(M₁)，影響了其儲能性能的提高，并且其轉折電場及擊穿場強有待提高。現有技術一般是通過組分摻雜改性，實現AgNbO₃陶瓷的儲能特性得到了極大的提高，表明AgNbO₃陶瓷在儲能領域具有廣闊的應用前景。

發明內容

針對現有技術中AgNbO₃反鐵電儲能陶瓷材料中存在的儲能密度不高，儲能效率有待提高，室溫下亞鐵電性等問題，本發明的目的在于提供一種通過從影響反鐵電性能的容忍因子、高極化率及晶粒尺寸多角度考慮，通過組分設計，開發了一種稀土元素Tm摻雜的鈮酸銀反鐵電陶瓷材料及其制備方法。

一方面，本發明提供了一種稀土元素Tm摻雜的鈮酸銀反鐵電陶瓷材料，所述稀土元素Tm摻雜的鈮酸銀反鐵電陶瓷材料為單一鈣鈦礦結構，其組成通式為Ag_1-3xTm_xNbO₃，其中，0.01≤x≤0.08。