高储能效率及密度的铌酸钾钠基铁电陶瓷材料及制备方法技术

本发明专利技术为一种高储能效率及密度的铌酸钾钠基铁电陶瓷材料及制备方法，其克服了现有技术中储能铁电陶瓷材料无法满足高储能密度、高频率稳定性以及高耐压强度等需求的问题，本发明专利技术能够在减少污染的同时，实现储能电子元器件优异的电学性能。本发明专利技术铌酸钾钠基铁电陶瓷材料的化学组成通式为(1‑x)(K

【技术实现步骤摘要】
高储能效率及密度的铌酸钾钠基铁电陶瓷材料及制备方法
：本专利技术属于储能铁电陶瓷材料领域，涉及一种高储能效率及密度的铌酸钾钠基铁电陶瓷材料及制备方法。
技术介绍
：目前，脉冲功率系统中的储能元件面临着高储能密度、高频率稳定性以及高耐压强度等需求。电介质陶瓷电容器功率密度大，能够实现快速的充放电且其储能密度具有极大的上升空间，作为脉冲功率系统中的关键元件，已得到了广泛的应用。但商业用高储能电介质材料都含有大量的铅，会严重污染环境和伤害人体，而现有的无铅电介质材料存在许多不利因素，如储能密度低、耐压强度低以及储能效率低等。这就需要开发一种新型的环境友好型无铅耐高压高储能及高效率的介质材料来代替目前含铅的储能材料。铌酸钾钠(KNN)基陶瓷材料最有潜力的无铅储能陶瓷介质材料之一。纯KNN陶瓷是一种铁电体材料，其剩余极化强度Pr较大，极化差Pmax-Pr往往小于5μC/cm2，且Eb<40kV/cm，效率极低、能量损耗极大导致纯KNN陶瓷不能作为储能介质材料。此外，由于KNN陶瓷在制备过程中易吸潮，烧结温区窄，导致KNN陶瓷的工艺重复性差、击穿场强低等问题，不能够完全替代PZT等铅基陶瓷。
技术实现思路
：本专利技术的目的在于提供一种高储能效率及密度的铌酸钾钠基铁电陶瓷材料及制备方法，其克服了现有技术中储能铁电陶瓷材料无法满足高储能密度、高频率稳定性以及高耐压强度等需求的问题，本专利技术能够在减少污染的同时，实现储能电子元器件优异的电学性能。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种高储能效率及密度的铌酸钾钠基铁电陶瓷材料，其特征在于：铌酸钾钠基铁电陶瓷材料的化学组成通式为(1-x)(K0.5Na0.5)NbO3-xBi(Zn0.5Ti0.5)O3,其中x为0.1-0.3，x表示陶瓷体系中的摩尔比例。按化学组成通式(1-x)(K0.5Na0.5)NbO3-xBi(Zn0.5Ti0.5)O3,采用下述原料制成：K2CO3粉体、Na2CO3粉体、Nb2O5粉体、Bi2O3粉体、ZnO粉体、TiO2粉体。铌酸钾钠基铁电陶瓷材料为伪立方相结构，平均粒径为0.6μm。一种高储能效率及密度的铌酸钾钠基铁电陶瓷材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)配料：按化学组成通式(1-x)(K0.5Na0.5)NbO3-xBi(Zn0.5Ti0.5)O3，其中x为0-0.3，称量K2CO3粉体、Na2CO3粉体、Nb2O5粉体、Bi2O3粉体、ZnO粉体、TiO2粉体，得到混合粉料；(2)球磨：将混合料加入球磨介质乙醇，装入球磨罐中进行球磨12h～16h，球磨转速为球磨的转速为390～440r/min，球磨结束后，混合料置于烘箱中以100℃的温度进行烘干，利用80～120目筛网过筛，过筛的筛网的孔径为80～120目，得到混合粉料；(3)预烧：将所述混合粉料在900～950℃进行预烧；(4)二次球磨：将经过预烧的混合粉料进行球磨、过筛，得到化学组成通式为(1-x)(K0.5Na0.5)NbO3-xBi(Zn0.5Ti0.5)O3的粉料；球磨的转速为390～440r/min，球磨的时间为16～18h；(5)压片：将聚乙烯醇PVA加入所述粉料中，制得(1-x)(K0.5Na0.5)NbO3-xBi(Zn0.5Ti0.5)O3粒料，经过压片、排胶得到(1-x)(K0.5Na0.5)NbO3-xBi(Zn0.5Ti0.5)O3生坯；(6)烧结：将所述(1-x)(K0.5Na0.5)NbO3-xBi(Zn0.5Ti0.5)O3生坯在1140～1170℃下保温4～5h，得到铌酸钾钠基铁电陶瓷材料。步骤(2)中，预烧的保温时间为3～5h；升温速率为3～5℃/min。步骤(4)中，排胶速率为1℃/min，,在600℃保温3～5h。步骤(4)中，压片的压力为在220～350Mpa，保压时间为1-3min，所得生坯的尺寸为12-15mm，厚度为1-1.2mm。与现有技术相比，本专利技术具有的优点和效果如下：1、本专利技术材料(1-x)(K0.5Na0.5)NbO3-xBi(Zn0.5Ti0.5)O3其中x为0-0.3，通过组分控制及调节，利用Bi3+去异价取代钙钛矿结构A位的K+和Na+,Zn2+、Ti4+取代B位Nb5+从而产生部分的氧空位，使得材料内部的电畴更容易反转，从而增大的极化强度差值，材料的弛豫强度增加，从而提高了材料的储能效率。本专利技术通过引入Bi(Zn0.5Ti0.5)O3并控制固溶含量，克服了铌酸钾钠基陶瓷介质材料储能效率和储能密度较低的缺点。2、本专利技术所制备的电介质陶瓷材料不含铅，对环境友好，并且铌酸钾钠基体材料能够实现光、电、机械性能的耦合。本专利技术制备方法克服了KNN基陶瓷烧结温区窄、工艺重复性差的问题，所得陶瓷材料缺陷少、致密度高、结晶性好，晶粒尺寸均匀且平均晶粒尺寸约为0.6μm，具有细晶结构。同时，具有较好的铁电性能，在185kV/cm的高击穿场强下实现1.211J/cm3的高储能密度，其储能效率值高达92％，高于目前所报道的KNN储能材料的效率值。3、本专利技术材料实用性强，易于生产，具有良好的电学性能，是一类性能优良的新型功能陶瓷。附图说明：图1是本专利技术实施例1中提供的0.7(K0.5Na0.5)NbO3-0.3Bi(Zn0.5Ti0.5)O3铁电陶瓷样品的SEM图片；图2是本专利技术实施例2中提供的0.7(K0.5Na0.5)NbO3-0.3Bi(Zn0.5Ti0.5)O3铁电陶瓷样品在室温下的介电温谱图；图3是本专利技术实施例3中提供的0.7(K0.5Na0.5)NbO3-0.3Bi(Zn0.5Ti0.5)O3铁电陶瓷样品在室温下的电滞回线；图4是本专利技术实施例4中提供的0.8(K0.5Na0.5)NbO3-0.2Bi(Zn0.5Ti0.5)O3铁电陶瓷样品在室温下的电滞回线；图5是本专利技术实施例5中提供的0.9(K0.5Na0.5)NbO3-0.1Bi(Zn0.5Ti0.5)O3铁电陶瓷样品在室温下的电滞回线。具体实施方式：下面结合具体实施方式对本专利技术进行详细的说明。这些实施例是用于说明本专利技术而不限于本专利技术的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体实验环境做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。本专利技术为一种铌酸钾钠基铁电陶瓷材料，其组分原料及其摩尔百分比含量为(1-x)(K0.5Na0.5)NbO3-xBi(Zn0.5Ti0.5)O3其中x为0-0.3。本专利技术采用下述质量份的原料制成：K2CO3粉体、Na2CO3粉体、Nb2O5粉体、Bi2O3粉体、ZnO粉体、TiO2。本专利技术所提供的铌酸钾钠基铁电陶瓷材料为伪立方相结构，同时为细晶结构，平均粒径为0.6μm。细晶和伪立方晶格结构有利于实现高击穿场强，同时获得高储能密度与高储能效率。对于铌酸钾钠基铁电陶瓷材料来说，通过组分调控增加材料的弛豫性,进而达到高的储能密本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高储能效率及密度的铌酸钾钠基铁电陶瓷材料，其特征在于：铌酸钾钠基铁电陶瓷材料的化学组成通式为(1-x)(K

【技术特征摘要】
1.一种高储能效率及密度的铌酸钾钠基铁电陶瓷材料，其特征在于：铌酸钾钠基铁电陶瓷材料的化学组成通式为(1-x)(K0.5Na0.5)NbO3-xBi(Zn0.5Ti0.5)O3,其中x为0.1-0.3，x表示陶瓷体系中的摩尔比例。


2.根据权利要求1所述的高储能效率及密度的铌酸钾钠基铁电陶瓷材料，其特征在于：
按化学组成通式(1-x)(K0.5Na0.5)NbO3-xBi(Zn0.5Ti0.5)O3,采用下述原料制成：K2CO3粉体、Na2CO3粉体、Nb2O5粉体、Bi2O3粉体、ZnO粉体、TiO2粉体。


3.根据权利要求1所述的高储能效率及密度的铌酸钾钠基铁电陶瓷材料，其特征在于：铌酸钾钠基铁电陶瓷材料为伪立方相结构，平均粒径为0.6μm。


4.根据权利要求1所述的高储能效率及密度的铌酸钾钠基铁电陶瓷材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)配料：按化学组成通式(1-x)(K0.5Na0.5)NbO3-xBi(Zn0.5Ti0.5)O3，其中x为0-0.3，称量K2CO3粉体、Na2CO3粉体、Nb2O5粉体、Bi2O3粉体、ZnO粉体、TiO2粉体，得到混合粉料；
(2)球磨：将混合料加入球磨介质乙醇，装入球磨罐中进行球磨12h～16h，球磨转速为球磨的转速为390～440r/min，球磨结束后，混合料置于烘箱中以100℃的温度进行烘干，利用80～120目筛网过筛，过筛的筛网的孔径为80～12...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴中华，李定妍，张佳晴，雷莹，
申请(专利权)人：西安工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61