[發明專利]一種反鐵電陶瓷材料及其低溫燒結方法

有效

• 申請號: 202010798427.6
• 申請日: 2020-08-11
• 公開（公告）號: CN112062559B
• 公開（公告）日: 2021-10-08
• 發明（設計）人: 翟繼衛;葛廣龍;黃凱威;沈波
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: C04B35/48
• 分類號: C04B35/48;C04B35/622;C04B35/638;C04B35/64
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 陳天寶

本發明涉及一種反鐵電陶瓷材料及其低溫燒結方法，該反鐵電陶瓷材料的化學通式為PbZrO₃，本發明通過在二次球磨過程中在反鐵電陶瓷材料粉體中加入Ag₂O粉末，通過調控Ag₂O含量以及在燒結過程中補償鉛氣氛等方法制得致密瓷體。該體系燒結溫度低至1050℃，制備的瓷體成瓷性較好，實現了室溫下PbZrO₃反鐵電陶瓷的雙電滯回線的獲得。與現有技術相比，本發明所制備的介質材料具有儲能密度高(8.82J/cm³)、儲能效率較高(71.71％)等優點，對于開發高儲能密度、可低溫燒制的脈沖功率電容器具有非常重要的意義。

技術領域

本發明涉及功能陶瓷技術領域，尤其是涉及反鐵電陶瓷材料及其低溫燒結方法。

背景技術

隨著科學技術的進步，脈沖功率技術在工業、建筑、生物醫藥及尖端技術等各個領域得到了廣泛的應用。作為脈沖功率裝置的重要儲能元件，電容器在脈沖功率裝置中占很大比重，作為業界長期發展的方向，研制儲能密度高、放電電流大以及功率密度高的脈沖電容器已成為當前脈沖功率技術領域研究的重點和迫切任務。當前脈沖電容器的首選介質材料主要包括線性陶瓷、鐵電陶瓷和反鐵電陶瓷三類。線性陶瓷具有介電線性特征，即介電常數幾乎不隨電場變化，這意味著線性陶瓷只有在極高的電場下才能獲得可觀的儲能密度。而對于脈沖電容器來說過高的電場是不安全的，因此具有介電非線性特征的鐵電和反鐵電陶瓷是高儲能密度介質電容器的優選材料。其中，鐵電陶瓷具有自發極化，在無外加電場時具有很高的介電常數，而在電場作用下，鐵電陶瓷介電常數隨電場增加而降低，并且其擊穿場強通常不高，導致陶瓷在高場下儲能密度并不大，一般不超過2J/cm³。而反鐵電陶瓷的重要特征是具有雙電滯回線：在外電場較低時反鐵電陶瓷與線性陶瓷一樣，這意味著反鐵電陶瓷擁有極低的剩余極化；而當電場升高到一定值后，發生反鐵電到鐵電的相轉變，使得材料的極化強度突然增大。因此反鐵電材料具有更高的儲能密度，同時由于極低的剩余極化而具有很高的儲能效率。

目前圍繞提高反鐵電陶瓷儲能行為的研究有很多，大都圍繞在反鐵電材料設計，對可低溫共燒反鐵電瓷料的研究還較少。當前鉛基反鐵電陶瓷普遍具有較高的燒結溫度(1200℃以上)，如專利號為CN201510109369.0的中國發明專利《一種高儲能效率鑭摻雜鋯鈦錫酸鉛反鐵電陶瓷及其制備方法》(授權公告號為CN104725041A)，該發明中制備的反鐵電陶瓷的儲能效率達到90.4％，但有效儲能密度僅為1.28J/cm³；而專利號為CN201810214293.1的中國發明專利《一種高儲能密度反鐵電陶瓷材料及其制備方法》(授權公告號為CN108358630A)，該發明中制備的反鐵電陶瓷在23.5kV/mm的工作電場下，可釋放的儲能密度只達到了2.68J/cm3，但能量損耗較大，儲能效率為78％；在專利號為201710696022.X的中國發明專利《一種介電儲能反鐵電陶瓷材料及其制備方法》(授權公告號為CN1O745935OA)中獲得同時具有儲能效率為85％(150℃)、儲能密度穩定性85％(20℃-150℃)、儲能密度2.77J/cm³的反鐵電材料體系。

然而，即便高燒結溫度下獲得的反鐵電陶瓷具有較高的儲能密度，但是在實際應用中1200℃的燒結溫度將大大提高多層電容器的制造成本。因此，研究可低溫共燒的高儲能性能反鐵電陶瓷材料對于開發低成本、低功耗、高儲能性能的脈沖功率電容器具有非常重要的意義。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供反鐵電陶瓷材料及其低溫燒結方法，本發明通過在二次球磨過程中在反鐵電陶瓷材料粉體中加入Ag₂O粉末，通過調控Ag₂O含量以及在燒結過程中補償鉛氣氛等方法制得致密瓷體。本發明中采用優化的Ag₂O摻量下制備的反鐵電陶瓷具有極低燒結溫度以及高的儲能性能，對于開發高儲能密度、可低溫燒制的脈沖功率電容器具有非常重要的意義。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：