[发明专利]钛酸铋钠-锆钛酸钡无铅宽温储能陶瓷及其制备方法

说明书

本发明公开了一种钛酸铋钠‑锆钛酸钡无铅宽温储能陶瓷及其制备方法。该陶瓷材料的分子式为(1‑x)Bi_0.51Na_0.47TiO₃‑xBaZr_yTi_1‑yO₃‑zSm，其中，x、y、z分别表示锆钛酸钡、锆离子、钐离子的摩尔分数；其中，0.45≤x≤0.55，0.3≤y≤0.45，0≤z≤0.08。本发明通过向钛酸铋钠陶瓷体系引入锆钛酸钡来提高其储能性能的同时，对高温方向的温度稳定性有所提高，进一步引入钐离子对其低温方向温度稳定性进行提高，从而得到具有良好温度稳定性的钛酸铋钠基无铅储能陶瓷。

技术领域

本发明涉及一种钛酸铋钠-锆钛酸钡无铅宽温储能陶瓷及其制备方法，属于材料领域。

背景技术

在储能器件中，传统介质电容器因其具有高功率密度（~10⁸MW/kg）、快速充放电时间（小于1μs）、优异的循环次数（~10⁵）和良好的抗环境破坏能力而受到越来越多的研究。

储能介质陶瓷材料主要有线性陶瓷、铁电陶瓷和反铁电陶瓷三种。Bi_0.5Na_0.5TiO₃（BNT）由于其环保无毒的优势，一直是人们关注的研究对象。BNT是一种钙钛矿型铁电体，具有A位复合取代，Bi³⁺和Na⁺共占据A位，拥有较高的最大极化率（在100kV/cm下约为38μC/cm²）和较高的居里温度（T_m≈320℃），这使其成为储能体系中值得改造的一个有前途的端元。黄宇等人制备了0.65Bi_0.51Na_0.47TiO₃-0.35BaZr_0.45Ti_0.55O₃陶瓷，其中在BNT中加入了弛豫铁电BaZr_0.3Ti_0.7O₃（BZT）以改善储能性能。Bi³⁺/Na⁺的比例设计从0.50/0.50调节至0.51/0.47，从而稳定反铁电相并提高储能性能。然而，陶瓷块体温度稳定性（TCC_25℃≤15%的温度范围）是储能器件中温度稳定性的重要指标，在黄宇的实验中低温端的稳定性还未达到-60℃。

因此，需要对BNT基陶瓷进行改性以获得容温稳定性良好，储能性能优异的宽温储能陶瓷，这在制造实际应用于低温环境的电子设备领域具有重要的实际意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种宽温稳定性良好的钛酸铋钠-锆钛酸钡无铅储能陶瓷电介质及其制备方法。本发明通过向钛酸铋钠陶瓷体系引入锆钛酸钡来提高其储能性能的同时，对高温方向的温度稳定性有所提高，进一步引入钐离子对其低温方向温度稳定性进行提高，从而得到具有良好温度稳定性的钛酸铋钠基无铅储能陶瓷。

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：

一种钛酸铋钠-锆钛酸钡无铅宽温储能陶瓷，化学组成表达式如下：(1-x)Bi_0.51Na_0.47TiO₃-xBaZr_yTi_1-yO₃-zSm，其中，x、y、z均以摩尔分数来计，0.45≤x≤0.55，0.3≤y≤0.45，0≤z≤0.08。优选地，x为0.5，0.3≤y≤0.45，0≤z≤0.04。