[发明专利]一种高性能铌酸钾钠基无铅储能陶瓷的制备方法

说明书

本发明属于电介质电容器材料领域，具体涉及一种高性能铌酸钾钠基无铅储能电容器陶瓷的制备方法。本发明的铌酸钾钠基陶瓷粉料采用工业原料经过固相法获得，陶瓷样品由独特的两段式烧结得到，样品的储能密度由电滞回线测试和计算得到。首先调节陶瓷粉料的球磨时间与生坯的两段式烧结制度，然后通过铁电分析得到其有效储能密度与效率。本发明实现了一种简便且有效获得高储能密度与效率的铌酸钾钠基储能陶瓷材料制备方法，对其他体系的储能陶瓷材料的制备具有借鉴意义。

技术领域

本发明属于电介质电容器材料领域，具体涉及一种高性能铌酸钾钠基无铅储能电容器陶瓷的制备方法。

背景技术

电介质电容器是通过将电介质极化，使得电极表面富集电荷形成电场而储能的。因为这种能量方式的建立没有经过物质的扩散和化学反应，所以其充放电过程极其快速，可以达到微秒甚至纳秒的级别。此外，电介质电容器具有很高的循环寿命，同时若选用固体电介质可以将其可以做成全固态结构，这相比于电化学电容器和电池，不会出现漏液、着火甚至爆炸等危险，更加安全可靠。由电介质材料（包括聚合物和陶瓷等）制成的高功率电容器被广泛应用于商业、消费品、医疗以及军用等领域，例如电压平滑与滤波、抗浪涌、耦合与去耦合、电源调制、抗电磁干扰、医疗除颤器、电装甲与电枪，以及定向能武器等。近年来，随着电力电子器件和系统向着小型化、轻量化以及集成化方向发展，开发具有高储能密度的电介质电容器具有重要的意义。

在众多的储能电容器陶瓷体系中，铌酸钾钠(KNN)基陶瓷以其优良的压电性和环境友好性而备受关注。而研究内容主要集中在能量转换上, 包括压电效应、电光效应、电卡效应,而对其电能存储特性的研究却少有研究。电介质材料的储能密度(W)是指电介质单位体积储存的能量，由铁电性能测试出的电滞回线计算得到,单位为J/cm³, 可由式(1)表示：

其中，E为外加电场强度，P_max为电介质陶瓷击穿(E_b)之前时的最大极化强度。对于非线性介质材料, 在充电过程储存的能量并不能完全释放。当E从零增加E_b,电介质的P达到P_max,电容器充电；当E从E_b 减小到零, 材料的P从P_max减小到剩余极化强度(P_r), 电容器放电,如图1所示。由于P_r的存在,电容器储存的能量并不能完全释放,可以释放出来的能量称为电介质材料的有效储能密度(W_rec), 可由式(2)表示:

不能释放的能量称为损失能量密度(W_loss)。电介质材料的储能效率(η) 可用式(3)表示: