[发明专利]高铁电稳定性兼具超快速充放电、高储能效率的钛酸铋钠基陶瓷材料及制备方法

说明书

本发明公开了一种高铁电稳定性兼具超快速充放电、高储能效率的钛酸铋钠基陶瓷材料及制备方法，该陶瓷材料的通式为(1‑x)Na_0.5Bi_0.5TiO₃‑xCaTiO₃，式中x代表CaTiO₃占总物质量的摩尔比，x的取值为0.1～0.25。该陶瓷材料通过配料、预烧、球磨、压片、无压密闭烧结等工艺步骤制备而成。本发明制备方法简单、重复性好、成品率高，所得陶瓷材料具有高的铁电稳定性(频率稳定性和循环稳定性)、极低的剩余极化强度，兼具极高的储能效率以及充放电表现，实用性强，易于生产，是一种性能优良的无铅铁电陶瓷，是在脉冲功率材料系统领域内的一种新型备选材料。

技术领域

本发明属于陶瓷材料技术领域，具体涉及一种高铁电稳定性兼具超快速充放电、高储能效率的钛酸铋钠基陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

随着社会生产的发展，传统的化石能源所带来的高污染、低效率以及储量问题已经不容忽视。因此，研发一种无污染、高效率的清洁储能材料是至关重要的。在电子工业行业中，储能陶瓷材料已经展现出其优异的市场价值与经济效益。被广泛应用于传感器、仪器电容等领域。但是，传统的储能陶瓷大部分以铅(Pb)基为基础，在使用过程中可能会对人体产生危害。因此，国际标准中已经控制或禁止使用含铅的相关电子元件。基于此，众多学者分别投入到无铅储能材料的研究中，其中，1960年，Smolenskii等人首次合成出Na_0.5Bi_0.5TiO₃(BNT)，其晶体结构为典型的钙钛矿结构。由于Bi³⁺与Pb²⁺的最外层电子结构相同，被认为是替代含铅陶瓷的最佳候选材料。A位由Bi³⁺和Na⁺共同占据，B位由Ti⁴⁺占据，其中，A位离子的配位数为12，B位离子的配位数为6。而近年来，更多学者则认同BNT陶瓷的弛豫铁电体理论，Suchanicz等人通过中子衍射、XRD、变温P-E曲线等一系列测试方法给该理论提供了数据支撑。纯BNT虽然具有高的饱和极化强度，但高的剩余极化强度和高电导率，严重限制了其在储能方向的发展。同时，铁电陶瓷的铁电稳定性也是评估其性能的重要指标，在反复的外加电场后，材料很难保持原先的饱满完整的电滞回线。因此，良好的铁电稳定性是铁电陶瓷电容器在现实应用领域所凾待解决的重要问题。另外，降低BNT的剩余极化强度，得到细长的电滞回线是提高储能效率的关键问题。2018年，Li等人成功将弛豫铁电体Sr_0.7Bi_0.2TiO₃引入BNT中，制备了块体陶瓷和多层陶瓷，Sr²⁺离子的掺杂破坏了BNT陶瓷偶极子的长程有序，生成极性纳米微区，最终得到了80％的储能效率。

目前，仍难同时获得高的频率稳定性、抗疲劳稳定性以及高的储能密度和储能效率的陶瓷储能材料。因此，研发出兼具高储能密度、高储能效率以及优良的稳定性是制备储能材料的关键目标。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有高铁电稳定性并兼具超快速充放电、极高储能效率的钛酸铋钠基陶瓷材料，并为该陶瓷材料提供一种制备方法。

针对上述目的，本发明陶瓷材料的通式为(1-x)Na_0.5Bi_0.5TiO₃-xCaTiO₃，式中x代表CaTiO₃占总物质量的摩尔比，x的取值为0.1～0.25；该陶瓷为纯的钙钛矿结构，介电击穿场强为140～160kV/cm，极化强度为18.4～20.1μC/cm²，剩余极化强度为0.4～2.1μC/cm²。

上述通式中，优选x的取值为0.2，所述陶瓷材料为菱方相R3c纯钙钛矿结构，介电击穿强度为160kV/cm，极化强度为19.8μC/cm²，储能密度为1.26J/cm³，储能效率为91.3％，在10～500Hz频率范围内性能稳定，循环1～10000次性能稳定。