[发明专利]一种低损耗高储能效率铁酸铋基无铅反铁电陶瓷材料及其制备方法

说明书

一种低损耗高储能效率铁酸铋基无铅反铁电陶瓷材料及其制备方法，本发明涉及无铅铁电陶瓷材料领域，具体涉及一种低损耗高储能效率铁酸铋基无铅反铁电陶瓷材料及其制备方法。该陶瓷材料的化学组成为yBi_1.05Fe_0.995Mn_0.005O₃‑(1‑y)Sr_1‑x(Na_0.5Me_0.5)_xTiO₃。本发明以BiFeO₃‑SrTiO₃为基体材料，采用普通原料和两步烧结方法，获得成分均匀结构可控的致密陶瓷。本发明的铁酸铋基储能陶瓷材料，在电场强度E200kV/cm时，即可获得储能密度W_rec＝1～2J/cm³，储能效率η85％。其制备方法简单，工艺稳定，成本低廉，满足环保要求。本发明制备铁酸铋基陶瓷材料用于高能量密度和高功率输出的电子设备中。

技术领域

本发明涉及无铅铁电陶瓷材料领域，具体涉及一种低损耗高储能效率铁酸铋基无铅反铁电陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

陶瓷储能材料具有高储能密度、低介电损耗、耐高温、使用寿命长且工艺稳定等优点，是制备电子元器件的重要材料之一。目前在市场上应用较为广泛的是铅基陶瓷材料，但由于含铅材料具有毒性，容易对环境造成污染，并且其回收利用成本较高，因此可再生的、能重复利用的、环境友好的材料受到了越来越多的关注。

为了获得储能性能，陶瓷储能材料一般要具备驰豫性或反铁电性。反铁电性最初是由Kittel在1951年提出的，在反铁电体中相邻的偶极矩呈反平行排列，在宏观上极化强度为零，电场诱导作用下存在反铁电相和铁电相的相互转变从而会产生电卡效应、应变效应等。反铁电（AFE）材料在储能应用上有巨大的潜力，正因为如此，反铁电（AFE）材料近几年来受到了越来越广泛的关注。然而被广泛研究的AFE材料主要以铅基材料为主，例如，PbZrO₃（PZ）基反铁电材料，它是最早被发现的反铁电材料，由于PZ基反铁电材料经常在未发生AFE-FE相变时就已经击穿，为了提高其击穿电场，通过将其进行掺杂改性及改变烧结方式等，获得了的(Pb,La)(Zr,Ti)O₃(PLZT)反铁电材料。但是，PZ基材料中铅的强毒性以及在烧结过程中的高挥发性是的铅基陶瓷材料在制备、使用及飞机后处理过程中对人体和生态环境造成严重危害。因此国内外学者将研究重点逐渐转向了无铅反铁电储能陶瓷材料。基于传统固相合成烧结方法制备的BaTiO₃(BT)基和Bi_0.5Na_0.5TiO₃(BNT)基反铁电陶瓷制备工艺已经非常成熟，然而BT基和BNT基多元系反铁电陶瓷块体材料在储能性能上与铅基材料相比还存在一定的差距，并且由于电滞后效应，反铁电材料的储能效率通常较低，大多数报道的储能效率ƞ低于80%，因此，为了促进反铁电陶瓷在储能领域商业化的进一步发展，提高储能效率势在必行。

迄今为止，以BiFeO₃-SrTiO₃(BFO-ST)为基体材料，具备低损耗、高储能密度、高储能效率的铁酸铋基无铅反铁电陶瓷材料及其制备方法还未见报道。

发明内容

本发明要解决现有无铅储能材料体系单一的技术问题，而提供一种低损耗高储能效率铁酸铋基无铅反铁电陶瓷材料及其制备方法。