【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于电子陶瓷材料领域，具体涉及一种可应用于陶瓷电容器介电储能的具有内晶型结构和高储能密度的复相陶瓷材料及其制备方法。
技术介绍
1、当今社会各类能源的高效利用依赖于先进储能技术的发展。与常见的电化学储能技术相比，以电介质电容器为核心部件的静电储能技术具有超快的充放电速度、高功率密度和优异的循环寿命等诸多优点。虽然静电储能电容器已经部分应用于军事、医疗和核能领域的脉冲功率电子设备中，但电介质电容器的储能密度较小，在实际应用过程中通常需要较大的质量与体积不能满足电子设备的小型化，集成化和轻量化的需求，因此对电介质电容器的储能性能进行优化是对新一代电子元器件材料发展的必经之路。
2、对于电介质材料，其储能功能是在外电场(e)中通过电介质极化(p)实现的，即介电储能材料在外加电场下通过电介质极化、正负电荷的分离从而储存能量。对于介电储能材料，总储能密度有效储能密度储能效率脉冲电容器对电介质材料的基本性能要求是同时具有高的有效储能密度wrec和高的储能效率η。在以上公式中，pmax和pr分别是充电过程中的最大极化和放电过程中的剩余极化，e为外加电场。通过公式可以看出，介质材料具有大的极化差△p(pmax-pr)、延迟的饱和极化和高的击穿电场强度(eb)有利于电容器获得优异的储能性能。
3、batio3由于具有稳定的钙钛矿结构和本征高介电常数的优势成为世界上用量最大的商业化铁电电容器瓷，通过掺杂或与其他组分形成固溶体，常用来制造电子工业联盟(eia)ii类x7r或x8r型多层陶瓷电容器(mlcc)。然而ba
4、综上所述，在本专利技术中，提出一种新颖的内晶型结构高储能密度复相陶瓷材料设计方法，在batio3-bazro3-catio3三元复相体系(缩写为bczt)中获取了优异的综合储能特性。有别于常规0-3型复相陶瓷设计中通过外加第二组元形成晶界第二相的思路，本专利技术中复相材料第二相的形成源于设计体系的晶内自析出行为。因为catio3在batio3基体中具有有限固溶度，这有利于通过精密组成调节控制适量catio3第二相的晶内析出行为，从而实现增强击穿电场强度与维持高介电常数的目的。同时，bazro3能够与batio3形成无限固溶体，因为钙钛矿b位离子半径与铁电活性差异，能够增强材料弛豫特性与极化差值△p。其中，具有内晶型结构的最佳样品0.65batio3-0.175bazro3-0.175catio3不仅具有较高的击穿电场强度(eb＝553.9kv/cm)，还具有高的极化差值△p(30.77μc/cm2)，获得了wrec＝5.86jcm-3，η＝86.7％的优良性能，在介电电容器储能领域具有很大应用潜力。
技术实现思路
1、本专利技术的特色在于，设计了一种内晶型第二相bczt高储能密度复相陶瓷材料，考虑到batio3-bazro3-catio3体系中丰富的多尺度设计因素，即batio3和bazro3的结合可以增强介电弛豫行为，catio3在batio3基体中的有限固溶度有利于控制第二相的析出行为，通过精细的成分控制，构建具有适量catio3析出的内晶型第二相结构的bczt复相材料，实现在保持高极化差值△p的同时增强eb的目标。
2、为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：
3、一种具有内晶型结构的高储能密度复相陶瓷材料，其特征在于，组分设计：x的数值为0.21～0.9，通过成分细化和工艺探索，优选x＝0.65组成，即0.65batio3-0.175bazro3-0.175catio3，该样品具有特殊的内晶型结构，其性能可达到：有效储能密度wrec＝5.86j cm-3，储能效率η＝86.7％。
4、本专利技术上述具有内晶型结构的储能复相陶瓷材料，其特征在于，通过传统固相烧结法合成具体包括以下步骤：
5、(1)根据陶瓷材料中元素化学计量比分别称量baco3、caco3、tio2、zro2四种原料，将称量好的原料放入球磨罐中，以无水乙醇为介质置于行星球磨机中球磨12h，然后将所得混合物置于100℃烘箱中烘干；
6、(2)将烘干的混合物经研磨后置于氧化铝坩埚中，然后在1250℃煅烧，保温4h，随炉冷却至室温；
7、(3)将煅烧后的粉料倒入球磨罐并加入无水乙醇进行二次球磨，球磨时间为12h；
8、(4)向二次球磨所得粉料中加入粘结剂，造粒，过筛，然后在压力下压制成陶瓷素坯，并加热进行排胶处理；
9、如加入质量分数为10wt.％的聚乙烯醇(pvb)粘结剂，在500mpa单轴压力下，保压2分钟，压制成陶瓷素坯，然后于650℃进行排胶处理，保温3h，随炉冷却至室温；
10、(5)将排胶处理后的素坯体在1400℃烧结，保温4h，随炉冷却至室温。烧结后的陶瓷样品，抛光至0.1mm厚度后溅射面积为0.003cm2的au电极并对陶瓷样品进行电性能的测试。
11、其中，得到最佳陶瓷样品组成为0.65batio3-0.175bazro3-0.175catio3，具有catio3第二相在晶界内偏析的特殊结构。经电滞回线测试，其击穿电场强度eb＝553.9kv/cm，最大极化pmax＝35.21μc/cm2，剩余极化pr＝4.44μc/cm2，极化差值△p＝30.77μc/cm2。计算得有效储能密度wrec＝5.86j cm-3，储能效率η＝86.7％。具有良好的储能应用潜力。
12、与现有技术相比较，本专利技术具有以下优点：
13、(1)本专利技术通过控制catio3成分含量与晶内析出行为，能够构建出不同于常规晶界第二相型复相结构的新型内晶型bczt复相结构。
14、(2)本专利技术通过内晶型结构设计，实现在0.65batio3-0.175bazro3-0.175catio3复相陶瓷体系中保持高极化差值△p的同时增强eb，最终获得了高的有效储能密度wrec＝5.86j cm-3和储能效率η＝86.7％。可应用于陶瓷电容器介电储能，进一步可应用于脉冲陶瓷电容器介电储能。
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1.一种具有内晶型结构的高储能密度复相陶瓷材料，其特征在于，该陶瓷材料的基体化学组成为：化学式x的数值为0.21～0.90；优选内晶型结构x＝0.65，即0.65BaTiO3-0.175BaZrO3-0.175CaTiO3。
2.按照权利要求1所述的一种具有内晶型结构的高储能密度复相陶瓷材料，其特征在于，基体化学组成为0.65BaTiO3-0.175BaZrO3-0.175CaTiO3，具有CaTiO3第二相在晶界内偏析的特殊结构。
3.按照权利要求1所述的一种具有内晶型结构的高储能密度复相陶瓷材料，其特征在于，基体化学组成为0.65BaTiO3-0.175BaZrO3-0.175CaTiO3，其有效储能密度Wrec＝5.86Jcm-3，储能效率η＝86.7％。
4.制备权利要求1-3所述的具有内晶型结构的高储能密度复相陶瓷材料的方法，其特征在于，通过传统固相法制备，具体包括以下步骤：
5.按照权利要求4的方法，其特征在于，步骤(3)采用采用PVB造粒，步骤(4)将素坯体在650℃排胶处理。
6.权利要求1-3所述的具有
...【技术特征摘要】
1.一种具有内晶型结构的高储能密度复相陶瓷材料，其特征在于，该陶瓷材料的基体化学组成为：化学式x的数值为0.21～0.90；优选内晶型结构x＝0.65，即0.65batio3-0.175bazro3-0.175catio3。
2.按照权利要求1所述的一种具有内晶型结构的高储能密度复相陶瓷材料，其特征在于，基体化学组成为0.65batio3-0.175bazro3-0.175catio3，具有catio3第二相在晶界内偏析的特殊结构。
3.按照权利要求1所述的一种具有内晶型结构的高储能密度复相陶瓷材料，其特征在于，基体化学组...
【专利技术属性】
技术研发人员：侯育冬，李义豪，席凯彪，郑木鹏，朱满康，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：
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