[发明专利]具有高储能密度和高功率密度的铁酸铋钛酸钡基陶瓷及制备方法

说明书

本发明公开了一种具有高储能密度和高功率密度的铁酸铋钛酸钡基陶瓷及其制备方法，采用0.67BiFeO₃‑0.33BaTiO₃体系铁电材料为基础，将铋层状材料BaBi₂Nb₂O₉按照一定摩尔比掺入到铁酸铋钛酸钡基陶瓷中，采用固相合成方法，制备得到一种新型的具有高储能密度和高功率密度的储能陶瓷材料，该陶瓷材料的化学组成是(1‑x)(0.67BiFeO₃‑0.33BaTiO₃)‑xBaBi₂Nb₂O₉，其中0.02≤x≤0.1。本发明获得的储能陶瓷材料，主要性能参数可利用储能密度W_rec＝3.09J/cm³，储能效率η＝85.6％，在100kV/cm电场下，功率密度P_D＝27.2MW/cm³，电流密度可达543.95A/cm²。此外制备工艺稳定可靠，生产成本低，易于实现工业化生产，同时符合当前无铅环保的要求。能够广泛应用于高功率微波式武器，激光武器，电磁发射器，混合动力汽车的脉冲功率体系中。

技术领域

本发明涉及一种具有高储能密度和高功率密度的铁酸铋钛酸钡基陶瓷材料及其制备方法，具体涉及一种掺入铋层状材料BaBi₂Nb₂O₉的铁酸铋钛酸钡陶瓷的制备，属于脉冲功率电容器用陶瓷介质材料领域。

背景技术

近年来，随着电子元器件的小型化和集成化，这就对了电子材料提出了更高的要求。相对于电池，化学电容器等能量存储器件，电介质电容器具有功率密度高，放电速度快，使用寿命长等优点，块体陶瓷电介质电容器更是具有较高的温度稳定性以及储能总量。能够广泛应用于高功率脉冲武器，电磁发射器，能源存储以及混合动力交通工具逆变设备中。

目前商用的储能陶瓷材料主要集中在铅基材料中，但是，随着环境恶化问题日益加重，因此，开发出具有高储能密度和高功率密度的新型无铅储能材料就显得至关重要。铁酸铋钛酸钡的固溶体属于一种钙钛矿结构材料，拥有较高的饱和极化强度，被认为有希望取代铅基材料的候选材料之一，但是纯的铁酸铋钛酸钡基陶瓷材料由于较大的剩余极化强度和漏电流，使其无法获得高储能密度和效率，这限制了其在储能领域的应用。为了提高铁酸铋钛酸钡基陶瓷的储能性能，人们对其进行了大量的掺杂改性研究，这些研究中包括掺杂稀土离子、线性电介质和高驰豫性介质。但是目前大多数铁酸铋钛酸钡基陶瓷的储能密度和储能效率仍然较低(储能密度2.5J/cm³，储能密度80％)，这依然无法取代铅基陶瓷材料。

本发明首次将铋层状结构材料(BaBi₂Nb₂O₉)引入到钙钛矿结构的铁酸铋钛酸钡储能材料中，并且获得了3.09J/cm³的储能密度和85.6％的储能效率，此外，在100kV/cm电场下拥有功率密度P_D＝27.2MW/cm³，放电电流密度543.95A/cm²。

发明内容

针对上述技术不足，本发明的目的是提供一种具有高储能密度和高功率密度的铁酸铋钛酸钡基陶瓷的制备方法，首次将铋层状结构的(BaBi₂Nb₂O₉)引入到铁酸铋钛酸钡基陶瓷中进行掺杂改性，在保持较高饱和极化强度的同时获得较高的储能效率，不但拓展了掺杂改性的研究方向，而且制备出了一种有潜力的无铅储能陶瓷。

作为优选的技术方案，x＝0.08。这主要是由于该组分陶瓷具有较小的晶粒尺寸，有助于提高击穿强度。同时，该组分的介电常数在很大的范围比较稳定，这有助于提高陶瓷的温度稳定性。

本发明可以通过以下技术方案来实现：

一种具有高储能密度和高功率密度的铁酸铋钛酸钡基陶瓷的制备方法，步骤如下：