高储能密度电容器用低烧反铁电陶瓷材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种高储能密度电容器用低烧反铁电陶瓷材料及其制备方法，所述反铁电陶瓷材料包括：铅钡镧锆锡反铁电陶瓷相和钡硼铝硅玻璃相；所述反铁电陶瓷材料的化学通式为：(Pb

【技术实现步骤摘要】
高储能密度电容器用低烧反铁电陶瓷材料及其制备方法
本专利技术涉及功能陶瓷领域，尤其是涉及一种高储能密度电容器用低烧反铁电陶瓷材料及其制备方法。
技术介绍
随着科学技术的进步，人们对电子产品方便、简单、快捷的需求日益增长，促使相应的电子电路向着集成化、微型化、简洁化发展。储能电容器广泛应用于现代电子能源系统，如脉冲功率系统、混合动力汽车、新能源电力系统、微型电子设备等领域，开发具有小型化、轻量化的电容器已成为业界长期发展的方向。陶瓷电介质材料具有机械强度高、老化速率慢、介电可调且温度适应性好以及可在复杂环境下使用等优点，是制备高储能密度电容器的理想材料。用作陶瓷电容器的介质材料主要有线性陶瓷、铁电陶瓷和反铁电陶瓷三类。在高储能应用方面，反铁电材料要明显优于铁电材料，因为反铁电体没有任何剩余极化，其可以释放更多的储存电荷；同样反铁电材料由于其高的介电常数和大的极化强度，其储能特性优于线性电介质材料。目前围绕提高反铁电陶瓷储能行为的研究有很多，如专利号为CN201810214293.1的中国专利技术专利《一种高储能密度反铁电陶瓷材料及其制备方法》(授权公告号为CN108358630A)，该专利技术中制备的反铁电陶瓷在23.5kV/mm的工作电场下，可释放的储能密度为2.68J/cm3。但依据目前的文献报道来看，铅基反铁电陶瓷普遍具有较高的烧结温度(1300℃左右)，如专利号为CN202010065883.X的中国专利技术专利《一种具有优异充放电性能的反铁电陶瓷材料及其制备方法》(授权公告号为CN111233470A)，因此仍无法满足多层陶瓷电容器(MLCC)的制备工艺。如何将反铁电陶瓷的烧结温度降低，使其实现与金属内电极共烧，对于制备循环充放电寿命长的高储能密度多层陶瓷电容器具有非常重要的意义。因此，开发具有优异储能特性和低烧结温度的反铁电陶瓷材料成为亟待解决的关键问题之一。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高储能密度电容器用低烧反铁电陶瓷材料及其制备方法，其中通过固相烧结法制备反铁电陶瓷材料，通过引入玻璃烧结助剂，使得反铁电陶瓷材料的耐压强度显著提高，并大幅降低了陶瓷的烧结温度。同时本专利技术具有储能密度高、储能效率高、充放电性能优异和烧结温度低的特性，同时制备工艺简单，对于开发多层陶瓷电容器等脉冲功率器件具有非常重要的意义。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：本专利技术中具有优异能量存储特性的低烧反铁电陶瓷材料，所述反铁电陶瓷材料包括铅钡镧锆锡反铁电陶瓷相和钡硼铝硅玻璃相；所述反铁电陶瓷材料的化学通式为：(Pb0.91Ba0.015La0.05)(Zr0.6Sn0.4)O3+xwt％yBaO-zB2O3-wAl2O3-(1-y-z-w)SiO2，其中0＜x≤1.0，0＜y＜1，0＜z＜1，0＜w＜1。进一步地，其中x的数值优选为0.2≤x≤0.8，x的数值更加优选为0.4，y的数值优选为0.12，z的数值优选为0.16，w的数值优选为0.09。本专利技术中上述反铁电陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：S1：基于各个元素的摩尔比称取Pb3O4、BaCO3、La2O3、ZrO2、SnO2作为反铁电陶瓷相的原料；S2：向反铁电陶瓷相的原料中加入球磨介质，球磨，出料，烘干，得到粉料；S3：将粉料在800～950℃下煅烧2～3h；S4：向煅烧后的粉料中加入烧结助剂，并进行二次球磨，出料，烘干，造粒，过筛，并在4～8MPa的压力下压制成陶瓷圆片，即为陶瓷胚体；S5：对所述陶瓷胚体排胶；S6：将排胶后的陶瓷坯体在1050～1200℃下进行烧结，冷却，打磨，得到反铁电陶瓷材料成品。进一步地，S2中采用行星式球磨机，球磨时间为12～15小时；由于所添加的玻璃粉体和陶瓷具有不同的粒径，在S4中采用高能球磨机，将粉体磨碎至纳米级微粒，球磨时间为6～10小时。进一步地，S4中所述烧结助剂为钡硼铝硅。进一步地，S4中，造粒时加入8～10wt％的粘结剂。进一步地，所述粘结剂为质量浓度为8％的聚醋酸乙烯酯溶液。进一步地，S5中所述排胶过程为在550～650℃下进行；排胶过程中控制升温速度0.5～1℃/min，达到预设排胶温度后保温时间6～8h。进一步地，S6中烧结过程的升温速率为2～5℃/min，达到预设温度后保温2～5h，之后进行自然冷却。进一步地，通过上述制备方法制备得到的反铁电陶瓷材料化学组成优选为(Pb0.91Ba0.015La0.05)(Zr0.6Sn0.4)O3+0.4wt％BaO-B2O3-Al2O3-SiO2，其晶粒尺寸为0.36μm，其性能达到最优值，参见图5。与现有技术相比，本专利技术具有以下技术优势：(1)通过引入合适的助烧剂，抑制晶粒生长，使得陶瓷的晶粒尺寸减小至亚微米级别，提高了陶瓷本身的致密度，因而显著提高了陶瓷的耐压强度，制备得到具有高击穿强度和高储能密度的反铁电陶瓷。(2)掺入低熔点的玻璃相后产生粘性流动烧结，使得陶瓷的烧结温度大幅降低，适合用作多层陶瓷电容器的研究。(3)制备工艺简单，经济实用，可实现工业化的推广。(4)本专利技术实施例2中所制备的反铁电陶瓷具有非常高的功率密度和超快的放电速度，表现出优异的充放电特性。附图说明图1为实施例1～4和对比例1中制备的反铁电陶瓷在室温下的电滞回线，横坐标为电场强度，纵坐标为极化强度；图2为实施例1～4和对比例1中制备的反铁电陶瓷在耐压强度和有效储能密度方面的比较数据；图3为实施例1～4和对比例1中制备的反铁电陶瓷的XRD谱图；图4为实施例1～4和对比例1中制备的反铁电陶瓷的SEM图像；图5为实施例2中制备的反铁电陶瓷材料在不同电场强度下的充放电曲线。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。实施例1本实施例中反铁电陶瓷的化学组成为(Pb0.91Ba0.015La0.05)(Zr0.6Sn0.4)O3+0.2wt％BaO-B2O3-Al2O3-SiO2，包括以下步骤：(1)选取纯度大于99％的Pb3O4、BaCO3、La2O3、ZrO2、SnO2作为反铁电陶瓷相的原料；(2)按化学计量比进行称料，加入球磨介质进行球磨，出料，烘干；(3)将烘干的粉料在马弗炉中煅烧800～900℃保温2～3h；(4)向煅烧后的粉料中加入其质量0.2wt％的钡硼铝硅玻璃粉，进行二次球磨，出料，烘干，造粒，过筛，并在4～8MPa的压力下压制成陶瓷圆片；(5)将得到的陶瓷坯体在马弗炉中进行排胶；(6)排胶后的陶瓷坯体在1050～1200℃下进行烧结，控制升温速度2～5℃/min，并且在最高温保温2～5h，自然冷却到室温后，将烧结后的陶瓷片用不同粒度的砂纸进行打磨，得到表面光亮平整的薄陶瓷片。然后镀上直径为2mm的金电极，在马弗炉中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高储能密度电容器用低烧反铁电陶瓷材料，其特征在于，所述反铁电陶瓷材料的包括：铅钡镧锆锡反铁电陶瓷相和钡硼铝硅玻璃相；/n所述反铁电陶瓷材料的化学通式为：(Pb

【技术特征摘要】
1.一种高储能密度电容器用低烧反铁电陶瓷材料，其特征在于，所述反铁电陶瓷材料的包括：铅钡镧锆锡反铁电陶瓷相和钡硼铝硅玻璃相；
所述反铁电陶瓷材料的化学通式为：(Pb0.91Ba0.015La0.05)(Zr0.6Sn0.4)O3+xwt％yBaO-zB2O3-wAl2O3-(1-y-z-w)SiO2，其中0＜x≤1.0，0＜y＜1，0＜z＜1，0＜w＜1。


2.根据权利要求1所述的一种高储能密度电容器用低烧反铁电陶瓷材料，其特征在于，其中x的数值范围为0.2≤x≤0.8，y的数值为0.12，z的数值为0.16，w的数值为0.09。


3.一种权利要求1或2中反铁电陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：基于各个元素的摩尔比称取Pb3O4、BaCO3、La2O3、ZrO2、SnO2作为反铁电陶瓷相的原料；
S2：向反铁电陶瓷相的原料中加入球磨介质，球磨，出料，烘干，得到粉料；
S3：将粉料在800～950℃下煅烧2～3h；
S4：向煅烧后的粉料中加入烧结助剂，并进行二次球磨，出料，烘干，造粒，过筛，并在4～8MPa的压力下压制成陶瓷圆片，即为陶瓷胚体；
S5：对所述陶瓷胚体排胶；
S6：将排胶后的陶瓷坯体在1050～1200℃下进行烧结，冷却，打磨，得到反铁电陶瓷材料成品。


4.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：翟继卫，黄凯威，葛广龙，沈波，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海;31