[发明专利]一种兼具高储能密度，高功率密度和高效率的钛酸铋钠基弛豫铁电陶瓷材料及其制备方法

说明书

本发明提供一种兼具高储能密度、高功率密度和高效率的钛酸铋钠基弛豫铁电陶瓷材料及其制备方法，属于电介质储能陶瓷材料技术领域；其化学组成为0.5(Bisubgt;0.5/subgt;Nasubgt;0.5/subgt;)TiOsubgt;3/subgt;‑(0.5‑x)BaTiOsubgt;3/subgt;‑xBaHfOsubgt;3/subgt;(0.04≤x≤0.12)。方法包括：以BNT为基体，通过掺杂引入BT和BH合成三元固溶体，然后采用固相反应法合成。本发明所制得的钛酸铋钠基弛豫铁电陶瓷材料的最大击穿场强达到800kV/cm，储能密度能够达到12.7J/cmsupgt;3/supgt;，储能效率稳定在84％以上，且在700kV/cm的电场下，储能密度达到89％。此外，其制备工艺简单，成本低廉，对环境友好，可以实现大规模生产。

技术领域

本发明属于电介质储能陶瓷材料领域，具体涉及一种兼具高储能密度，高功率密度和高效率的钛酸铋钠基弛豫铁电陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

近年来，储能陶瓷以功率密度高、温度稳定性好等优点在脉冲功率等领域发挥着越来越重要的作用，其中，铅基电容器以其极高的击穿场强和储能密度而成为过去该研究领域的热点，但是随着环境污染等问题日益严重，发展无铅陶瓷电容器已成为必然趋势。目前，无铅储能陶瓷发展的最大制约因素是击穿场强小、储能密度低，难以顺应当前元器件小型化、集成化的发展趋势。

在无铅储能陶瓷中，钛酸铋钠体系因具有较高自发极化强度而受到广泛关注。但其剩余极化强度大，击穿场强低，导致储能效率和储能密度低，制约了它的应用范围。针对于此，现阶段主要通过掺杂等方式合成钛酸铋钠固溶体，提高其储能密度及储能效率，从而使其能更好地满足实际应用的需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种钛酸铋钠基弛豫铁电陶瓷材料及其制备方法，其兼具高储能密度、高功率密度和高效率。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

第一方面，提供一种兼具高储能密度、高功率密度和高效率的钛酸铋钠基弛豫铁电陶瓷材料，其化学组成为0.5(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃-(0.5-x)BaTiO₃-xBaHfO₃(0.04≤x≤0.12)。

优选地，0.06≤x≤0.10，x具体例如可以为0.06、0.07、0.08、0.09、0.10。

更优选地，x＝0.08。

在上述优选x方案下，其储能密度能够达到12.7J/cm³，储能效率能够达到89％，且最大击穿场强可以达到800kV/cm。这主要是因为通过BaTiO₃(BT) 和BaHfO₃(BH)的掺杂，使(Bi_0.5Na_0.5)TiO₃(BNT)实现了室温下由铁电体向弛豫铁电体的转变，电畴由宏观尺度变为纳米尺度，剩余极化减小，提高了储能效率。且该组分的晶粒尺度较小，致密度较高，使其具有更高的击穿场强。

第二方面，提供第一方面所述的钛酸铋钠基弛豫铁电陶瓷材料的制备方法，包括：以BNT为基体，通过掺杂引入BT和BH合成三元固溶体，然后采用固相反应法合成。

其中，优选地，具体采用以下步骤：