一种宽温度稳定性的高储能密度铌酸锶钠基钨青铜陶瓷及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种宽温度稳定性的高储能密度铌酸锶钠基钨青铜陶瓷及制备方法，采用固相合成方法，以填充型钨青铜材料Sr

【技术实现步骤摘要】
一种宽温度稳定性的高储能密度铌酸锶钠基钨青铜陶瓷及制备方法
本专利技术涉及电子信息功能材料与器件
，具体涉及一种宽温度稳定性的高储能密度铌酸锶钠基钨青铜陶瓷及其制备方法。
技术介绍
随着能源需求的增加和化石燃料的消耗，提高传统能源利用率和拓宽新能源实用范围的问题日益凸显，这给能量存储装置的快速发展提供了机会。在这些储能元件中，电介质电容器因具有超快充放电速度和大功率密度的优势，符合新能源开发和利用的要求，在电磁脉冲武器、混合动力汽车、生物医疗器械等领域得到了广泛的应用。面对复杂环境和高度集成信息化的趋势，对设备的集成化、微型化、轻量化提出了更高的的要求，人们迫切期望找到一种展现高储能密度的电介质材料。与此同时，电容器需要克服各种恶劣环境下的使用限制，温度稳定性也成为了一项重要的评估指标。因此，具有宽温度稳定性和高储能密度的材料已成为高性能脉冲储能电容器应用的必然选择。目前，铅基钙钛矿电介质陶瓷在储能应用方面表现出了突出的优势，如PbZrO3基陶瓷，具有巨大的能量密度。然而，铅元素对生态系统和人类的危害十分严重，这促使人们对无铅介电陶瓷的替代材料进行了深入的研究。在这些无铅陶瓷中，无铅弛缓铁电陶瓷因其大的极化和细的磁滞回线引起了广泛的研究兴趣。近年来，关于无铅弛缓铁电陶瓷用于电容器应用的研究有很多报道，主要集中在钙钛矿基弛缓陶瓷上，并取得了显著的成果。然而，只有一些陶瓷表现出与铅基陶瓷相当的储能性能。在这种情况下，为了满足储能器件的商业化，迫切需要开发具有高储能性能的新型无铅陶瓷系统。钨青铜结构陶瓷是仅次于钙钛矿结构的最重要的介质材料之一，因其复杂和可调的结构展现出独特且令人关注的介电和铁电性能，被广泛的应用于光电、非线性光学、压电、热释电等领域。钨青铜开放的结构允许其性能广泛的可调谐性，可能会在储能方面有很大的潜力。铌酸锶钠是一种典型的填满型钨青铜结构陶瓷，具有良好的介电性能和铁电性能，在提高储能性能方面存在巨大潜力。然而，纯的铌酸锶钠陶瓷存在烧结困难，晶粒异常生长的情况，这使得它的耐压低于200kV/cm。另外，纯的铌酸锶钠陶瓷弛豫性不高，导致了剩余极化很大，效率不高。这些缺点限制了它在储能方面的应用。因此，有效地提高铌酸锶钠陶瓷的储能密度显得尤其重要。
技术实现思路
针对上述技术不足，本专利技术的目的是提供一种宽温度稳定性的高储能密度铌酸锶钠基钨青铜陶瓷及其制备方法。本专利技术首次将Ta离子引入铌酸锶钠基陶瓷中替代Nb离子进行掺杂改性，打破长程铁电有序结构，诱导形成极性纳米微区，获得低的剩余极化强度；提高其致密性，减小其晶粒尺寸，提高了陶瓷的击穿强度。这种陶瓷具有储能密度高、环境友好、实用性高的优点，可以应用于对温度稳定性有高要求的储能电容器上，具有重大经济价值。为达到上述目的，本专利技术可以通过以下技术方案来实现：一种宽温度稳定性的高储能密度铌酸锶钠基钨青铜陶瓷化学组成为Sr2NaNb5-xTaxO15，其中0.0≤x≤2.0。作为优选的技术方案，x＝0.15。这主要是由于该组分陶瓷具有较小的晶粒尺寸，有助于提高击穿强度。同时，该组分的介电常数适中，剩余极化低，两者达到良好的平衡状态，有利于获得高的可恢复储能密度。一种宽温度稳定性的高储能密度铌酸锶钠基钨青铜陶瓷的制备方法，具体还包括以下步骤：步骤一：选取SrCO3粉体、NaCO3粉体、Nb2O5粉体和Ta2O5粉体为原料，按照通式Sr2NaNb5-xTaxO15称取原料，其中x＝0.0～2.0，并加入与粉体等量的无水乙醇，经过一次球磨使粉体混合均匀形成浆料；步骤二：将步骤一中获得的浆料置于90℃下的恒温烘箱中烘烤，去除无水乙醇，并在研钵中研磨，得到粉料；之后将粉料置于模具中压成料块，将料块在密闭条件下于1050-1100℃下预烧，保温时间3-4小时，得到预合成的陶瓷片；步骤三：将步骤二中得到的陶瓷片在研钵中碾碎研磨后得到陶瓷粉体，向得到的粉体中加入等量的无水乙醇，进行二次球磨；将球磨后的浆料在90℃下烘干，经造粒、过筛、模压成型得到陶瓷生胚；步骤四：将步骤三中的陶瓷坯体在600-650℃下进行排胶处理，以去除PVA。将排胶后的陶瓷坯体进行烧结，烧结温度为1275～1350℃，升温速率3-4℃/min，保温时间2-3小时，冷却到室温后得到一种宽温度稳定性的高储能密度铌酸锶钠基钨青铜陶瓷。进一步的，步骤一中所述SrCO3、Nb2O5原料的纯度大于99.5％，所述NaCO3原料的纯度大于99.8％，所述Ta2O5原料的纯度大于99.99％。进一步的，步骤一及步骤三球磨过程中，所述球磨时间为12h。进一步的，步骤三过筛过程中使用80目和140目筛子过筛，取80目和140目筛子中间层的粉料。进一步的，步骤三造粒过程中使用浓度为5％的聚乙烯醇(PVA)作为粘结剂，将粉料在研钵中混合均匀后置于模具中，压制成胚块。进一步的，步骤二中预烧温度优选为1050℃，保温时间优选为4小时。进一步的，步骤四中烧结温度优选为1325℃，保温时间优选为3小时。进一步的，烧结后的陶瓷片还要进行抛光打磨至0.1-0.15mm厚度，并在双面喷上金电极。本专利技术制备的Sr2NaNb5-xTaxO15陶瓷利用离子掺杂改性的方法，将铌酸锶钠陶瓷的平均晶粒尺寸从13.15μm降低至1.03μm左右，大幅度提升了陶瓷的致密性，进而增强了铌酸锶钠陶瓷的击穿电场，最终导致了铌酸锶钠基陶瓷储能密度的提高。此外，本专利技术通过向铌酸锶钠的B位引入Ta5+以替代原来的Nb5+，引起了铌酸锶钠基钨青铜陶瓷中NbO6八面体的倾斜，打破了长程有序的偶极子排列顺序，形成了极性纳米微区，使铌酸锶钠的驰豫性明显增强，获得了具有高有效储能密度和高储能效率的新型储能陶瓷。相比于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：(1)本专利技术提供的储能介质陶瓷材料在性能上实现了较大的提升。现有技术制备的钨青铜体系的储能密度大多在2J/cm3左右。相比之下，本专利技术提供的储能介质陶瓷材料的储能密度是之前报道过的两倍左右，实现了3.99J/cm3的高储能密度和91.7％的高储能效率。(2)本专利技术利用一种简单有效的方法来提高铌酸锶钠基钨青铜陶瓷的储能性能，得到铌酸锶钠基陶瓷的驰豫性强，介电峰平缓，适用温度范围广泛。在250kV/cm的电场强度下，该陶瓷材料的储能密度在25-120℃的温度范围内能够保持稳定，变化率小于2.5％，应用前景广泛。(3)本专利技术获得的钨青铜结构储能陶瓷充放电速度快，对于实现脉冲功率器件的无铅化具有极高的应用价值，可广泛应用于各类储能元器件。(4)本专利技术通过传统固相反应法获得，制备成本低，工艺简单且易于操作，适合大批量工业化生产，有望作为新一代环境友好型储能陶瓷介质材料。附图说明图1为实施例4制得的一种宽温度稳定性的高储能密度铌酸锶钠基钨青铜陶瓷的XRD衍射分析图谱；图2为实施例4制得的一种宽温度稳定性的高储能密度铌酸锶钠基钨青铜陶瓷的SEM显微本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种宽温度稳定性的高储能密度铌酸锶钠基钨青铜陶瓷，其特征在于，该陶瓷的化学组成为Sr

【技术特征摘要】
1.一种宽温度稳定性的高储能密度铌酸锶钠基钨青铜陶瓷，其特征在于，该陶瓷的化学组成为Sr2NaNb5-xTaxO15，其中0.0≤x≤2.0。


2.根据权利要求1所述的一种宽温度稳定性的高储能密度铌酸锶钠基钨青铜陶瓷的制备方法，其特征在于，上述化学组成中的x为0.15。


3.一种宽温度稳定性的高储能密度铌酸锶钠基钨青铜陶瓷的制备方法，其特征在于，使用固相反应法制备得到相应的储能陶瓷，包括以下步骤：
步骤一：选取SrCO3粉体、NaCO3粉体、Nb2O5粉体和Ta2O5粉体为原料，按照通式Sr2NaNb5-xTaxO15称取原料，其中x＝0.0～2.0，并加入与粉体等量的无水乙醇，经过一次球磨使粉体混合均匀形成浆料；
步骤二：将步骤一中获得的浆料置于90℃下的恒温烘箱中烘烤，去除无水乙醇，并在研钵中研磨，得到粉料；之后将粉料置于模具中压成料块，将料块在密闭条件下于1050-1100℃下预烧，保温时间3-4小时，得到预合成的陶瓷片；
步骤三：将步骤二中得到的陶瓷片在研钵中碾碎研磨后得到陶瓷粉体，向得到的粉体中加入等量的无水乙醇，进行二次球磨；将球磨后的浆料在90℃下烘干，经造粒、过筛、模压成型得到陶瓷生胚；
步骤四：将步骤三中的陶瓷坯体在600-650℃下进行排胶处理，以去除PVA；将排胶后的陶瓷坯体进行烧结，烧结温度为1275～1350℃，升温速率3-4℃/min，保温时间2-3小时，冷却到室温后得到一种宽温度稳定性的高储能密度铌酸锶钠基钨青铜陶瓷。


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【专利技术属性】
技术研发人员：郑鹏，张新忠，白王峰，郑梁，张阳，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33