[发明专利]一种钐钽共掺的铌酸银基多层介电储能材料及其制备方法

说明书

本发明属于功能材料领域，具体涉及一种钐钽共掺的铌酸银基材料的多层介电储能材料及制备方法，可用作脉冲电容器的电源。该材料的化学式为Ag_1‑3xSm_xNb_1‑yTa_yO₃，0.02≤x≤0.10，0.2≤y≤0.7，具有电场诱导反铁电‑铁电相变特征。通过流延工艺手段，获得了薄介质层厚度(1～50微米)、高致密度和小晶粒尺寸的多层介电陶瓷，有效的提升了铌酸银基陶瓷的击穿场强；同时借助Sm元素的小离子半径和异价离子掺杂引入氧空位稳定反铁电的特性及Ta元素掺杂使反铁电相M2和M3降至室温的作用，最终获得了击穿场强高达1000kV·cm^‑1～1550kV·cm^‑1，储能密度为10～16J·cm^‑3，储能效率高达60～95％的铌酸银基多层介电储能材料。

技术领域

本发明涉及功能材料研究与技术开发领域，具体涉及一种钐钽共掺的铌酸银基材料的多层介电储能材料及制备方法，可用作脉冲电容器的电源。

背景技术

电介质电容器作为大功率脉冲电源的核心储能器件，其具有高功率密度、超快充放电能力和优异的热稳定性、及抗老化性强等优点，在发展军事武器装备和实现现代重大科学研究技术等国家安全领域有着至关重要的地位，如心脏起搏器、相机闪光灯、核效应模拟、电磁弹射炮、金属成型、激光武器、航天飞机动力系统和混合动力电动车辆等领域。

随着脉冲功率器件向小型化和轻量化发展，开发高能量密度的介质材料愈发迫切。在高能量密度材料的研究领域。可用于能量储存的介质材料有线性电介质(LD)、铁电体(FE)、弛豫铁电体(RFE)和反铁电体(AFE)四大类。其中反铁电材料由于电场诱导存在反铁电相和铁电相转变产生的独特的双电滞回线且其介电常数随电场增大而增大，被认为是优选材料。

迄今为止，在发现的40多种反铁电材料中如(Pb,La)(Zr,Ti,Sn)O₃、(Bi,Na)TiO₃、NaNbO₃和AgNbO₃等体系，其性能特点各有千秋。(Pb,La)(Zr,Ti,Sn)O₃基AFE陶瓷尽管具有优异的储能性能，即(Pb,La,Ba,Y)(Zr,Ti,Sn)O₃基AFE陶瓷的U_rec＝6.4J·cm^-3，但有害元素铅的存在，使得该体系的应用受到极大的限制。因此，寻求无铅高储能密度材料始终是科研工作者关注的重点。环境友好的AgNbO₃体系不仅工艺稳定性好，而且储能性能优异，如纯AgNbO₃陶瓷的U_rec为2.1J·cm^-3，被认为是有潜力的高性能无铅介电储能材料之一。然而，目前报道的AgNbO₃陶瓷储能效率η偏低(η低于75％)，低的储能效率将引起能量的耗散和储能器件的温度的升高，进而影响器件的稳定性能；另一方面，为满足高功率脉冲武器对电介质电容器的小型化和高压化及大电流等要求，AgNbO₃的储能性能也有待于进一步提高。

发明内容：

本发明第一目的是提升AgNbO₃基介电储能材料的耐击穿场强，从而实现储能性能的提升；本发明的第二目的是通过掺杂的手段，提高AgNbO₃基介电储能材料的储能效率η，进而降低能量耗散和提升储能器件的稳定性能及使用寿命。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种钐和钽共掺的铌酸银基多层介电储能材料，其特征在于：所述铌酸银基多层介电储能材料的化学式为Ag_1-3xSm_xNb_1-yTa_yO₃，0.02≤x≤0.10，0.2≤y≤0.7。

如上所述的钐和钽共掺的铌酸银基多层介电储能材料的制备方法，具体步骤如下：