[发明专利]一种介电材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种介电材料，通式为Bi_z(Bi_1/2Na_1/2)_{(1‑x)(1‑y)}M_x(1‑y)Ti_1‑y/2Mg_y/2O₃，其中，0≤x≤1，0＜y≤1，0＜z≤1，z≥y；本发明通过在钛酸铋钠(Na_1/2Bi_1/2TiO₃)基的铁电材料中，同时掺杂镁和铋，使得得到的介电材料的介电损耗大大的降低，而且提高了材料的储能密度和放电效率，且储能密度和放电效率在较宽的范围保持稳定，适合在较宽的温度范围尤其是在高温下作为储能材料使用。

技术领域

本发明属于功能材料领域，主要涉及一种介电材料及其制备方法。

背景技术

电容器作为能量存储器件在功率调整电路和脉冲功率电路中有着重要的应用，而利用介电材料作为能量存储介质的电容器由于具有高放电速度和功率密度在电容器领域具有独特的优势，而且，用于制备此种应用电容器的介电材料除了要求放电速度外，还需要具有高的能量密度(即单位体积或重量的介电材料中存储的能量)和充放电效率，进而可以减小电路或系统的体积，降低重量以及减少电容器在使用过程能量损耗；此外，电容器在应用于如混合动力、电动汽车和航空的一些电路时，电容器一般在比较高的温度(比如100-200℃)下使用，因此，还需要介电材料在比较高的温度下仍然保持比较好的介电和能量存储性能。

目前，以高分子聚合物作为介电材料的薄膜电容器由于具有比较高的能量密度、高功率密度以及低介电损耗等优点而被比较广泛地使用，但是，高分子聚合物作为介电材料的一个缺点在于其介电、绝缘性和能量存储等性能在比较高的温度下会产生恶化，因而，对于电容器的高温应用，无机介电材料在性能的稳定性方面具有一定的优势。

在无机介电材料中，铁电材料可以产生比普通介电材料高的极化响应，有利于提高材料的能量密度。然而，由于铁电材料处于铁电相时自发极化在电场的作用下转向后，将会保持定向后的状态，这样使得存储在材料中的能量无法释放出来，减少了可使用的能量，降低放电效率；而且，铁电材料虽然具有比普通介电材料更高的介电性能，但介电性能对于温度有很大的依赖性，尤其在居里温度附近材料的介电性能出现急剧变化，这对于一些需要具有比较稳定的介电性能的高温应用是不利的。

钛酸铋钠(Na_1/2Bi_1/2TiO₃)基的铁电材料由于具有很强的铁电性，这类铁电材料室温下为铁电相，介电峰值温度在300℃左右，然而，与很多铁电材料不同，在远低于介电峰值温度，这类材料由铁电相转变为非极性相；在相转变温度和介电峰值温度之间，其介电性能随温度的变化比较平缓，因而，其被作为铅基压电材料的一种比较有前途的无铅替代物，一直以来得以比较广泛的研究，如目前有报道由Na_1/2Bi_1/2TiO₃和四方相BaTiO₃形成的(1-x)Na_1/2Bi_1/2TiO₃-xBaTiO₃固溶体，其准同型相界在x＝0.06的组分附近；靠近准同型相界附近的组分，除了介电性能有比较大的提高，其相变温度相对于纯的Na_1/2Bi_1/2TiO₃有很大的降低，比如0.92Na_1/2Bi_1/2TiO₃-0.08BaTiO₃的相变温度在约140℃左右，远低于Na_1/2Bi_1/2TiO₃的相变温度(～200℃)，但介电峰值温度仍保持约300℃左右，这样使得固溶体的介电性能在更宽的温度范围里保持稳定，但是，该介电材料的介电损耗还是比较大，且储能密度和放电效率也比较低。

发明内容