[发明专利]一种提高钛酸铜锶钙介电陶瓷材料储能密度的方法

说明书

本发明公开一种提高钛酸铜锶钙介电陶瓷材料储能密度的方法。本陶瓷材料的组成为Ca_1‑xSr_xCu₃Ti₄O₁₂(0x1)。CSCTO粉体用聚合物热解法制备。工艺为：以硝酸铜、硝酸钙、硝酸锶、双(乙酰丙酮基)二异丙基钛酸酯为原料，按各化学元素的计量比进行称量配料；并选取适宜的聚合物单体和引发剂；将上述原料混合后置于水浴锅中，不断搅拌至形成干凝胶；除去干凝胶中的有机物，形成前驱体粉末；之后制成陶瓷胚体，烧结冷却得到CSCTO介电陶瓷。该CSCTO陶瓷的介电常数在室温、1 kHz条件下为698，击穿场强为717 kV/cm，储能密度提升至15.88 J/cm3，储能效率达95%，在制备脉冲功率设备的储能器件方面具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明属于电介质陶瓷合成应用技术领域，具体涉及一种提高钛酸铜锶钙介电陶瓷材料储能密度的方法。

背景技术

CaCu₃Ti₄O₁₂（简称CCTO）陶瓷材料是一种钙钛矿立方晶体结构的新型介电陶瓷，具有巨大的介电常数，且在一定的频率和温度内保持稳定。另外，CCTO陶瓷具有良好的非欧姆特性和力学性能，这些优异的性能使其在电子器件小型化和储能应用上充满了潜力。然而，由于其储能密度低，限制了实际应用范围。根据线性介质储能密度计算公式：w=1/2ε₀ε_rE_b²(其中ε_r是相对介电常数、E_b是击穿场强)，提高ε_r和E_b可以提高w。现阶段，国内外研究者提高w普遍理念是同时优化两个参数。然而，研究表明这二者是不能同时优化的参数，提高一方会以牺牲另一方为代价，使得收效甚微。

目前，国内外的许多研究结果表明：CCTO基陶瓷电介质的储能密度较低，普遍小于0.006 J/cm³ (Li, Jianying, et al. Towards enhanced varistor property andlower dielectric loss of CaCu₃Ti₄O₁₂ based ceramics. Materials Design 92(2016): 546-551. )。一种固相反应法制备的Ca_0.5Sr_0.5Cu₃Ti₄O₁₂陶瓷中，介电常数降至1000左右，储能密度提高到了0.05 J/cm³(Felix, A. A., et al. Enhanced electricalbehavior in Ca_1-xSr_xCu₃Ti₄O₁₂ ceramics. Ceramics International 45.11 (2019):14305-14311. )。另外，一种钛酸锆铜镉材料的介电常数为15032，击穿场强1.5 kV/cm, 储能密度为0.002 J/cm³(一种高击穿场强钛酸锆铜镉巨介电陶瓷材料及其制备方法，CN107216147B)。而用溶胶凝胶法制备的Ca_0.5Sr_0.5Cu₃Ti₄O₁₂介电陶瓷介电常数和击穿场强分别为3902和52.5 kV/cm，且储能密度提高至0.5 J/cm³(一种高击穿场强钛酸铜锶钙介电陶瓷材料及其制备方法，CN109553411B)。从目前的研究现状来看，CaCu₃Ti₄O₁₂陶瓷的储能密度普遍较低，并且国内学者关于CCTO陶瓷储能方面的研究较少。