【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于电子信息功能材料与器件，具体涉及一种具有类反铁电特性的钛酸铋钠基无铅弛豫铁电储能陶瓷材料及其制备方法。
技术介绍
1、由于具有超高的功率密度、超快的充放电速度以及优异的储能稳定性，电介质储能陶瓷电容器在军、民、商等领域有着广泛应用前景，如电磁轨道炮、电磁弹射、绿色间歇性能源存储、脉冲功率系统、电网系统、混合动力电车、医疗设备等。然而，较低的储能密度以及储能密度与效率失配问题严重限制其应用与发展。对于电介质储能陶瓷电容器而言，影响其储能性能的关键便在于其底层的核心材料即电介质材料(瓷介)。加之，近年来电子元器件不断朝着无铅化、小型化、轻量化、集成化方向发展。因此，开发性能优异的无铅瓷介进而从本质上解决上述问题已成为近年来材料领域的研究热点，极具现实意义和战略意义。
2、因具有较大的自发极化、较强的介电弛豫特性以及较宽的介电可调性和稳定性，近年来关于钛酸铋钠基无铅弛豫铁电体的研究方兴未艾。有关钛酸铋钠基无铅弛豫铁电体的研究可以分为两大类，其一是常规型弛豫铁电体，如《ceramics international》(doi：10.1016/j.ceramint.2021.12.171)、中国专利《一种钛酸铋钠基无铅弛豫铁电储能陶瓷材料及其制备方法》(申请号：cn202311067754.4)所报道；其二是具有类反铁电特性的弛豫铁电体，如《applied physics letters》(doi：10.1063/1.4950974)、《journal ofmateriomics》(doi：10.1016/j.jm
技术实现思路
1、本专利技术目的在于，针对
技术介绍
存在的问题，提出一种具有类反铁电特性的钛酸铋钠基无铅弛豫铁电储能陶瓷材料及其制备方法，通过协同优化策略从多维度对结构进行调控最终同时实现高可释放储能密度及效率。
2、本专利技术的目的可通过以下技术方案实现：
3、一种具有类反铁电特性的钛酸铋钠基无铅弛豫铁电储能陶瓷材料，包括用通式(1-x)(na0.3bi0.38sr0.28tio3)-xbi(mg0.5zr0.5)o3(以下简写为：nbst-bmz)表示的具有类反铁电特性的钛酸铋钠基无铅弛豫铁电储能陶瓷材料，其中，x的范围为0≤x≤0.2。
4、优选地，在所述陶瓷材料中x＝0.15。
5、本专利技术以na0.3bi0.38sr0.28tio3弛豫铁电体为基质，通过掺杂含铋复离子bi(mg0.5zr0.5)6+进入基质，以实现对陶瓷材料结构的多维度协同优化与调控，以期同时实现高可释放储能密度及效率，具体原理如下：
6、含铋复离子bi(mg0.5zr0.5)6+掺杂以及称料时略微过量的bi2o3和na2co3能够减少氧空位的生产，降低氧空位浓度，抑制高温传质过程，减小晶粒尺寸，增大晶界数量，使击穿电场得到提高；由于具有大带隙的mg2+和zr4+引入，亦使得nbst-bmz陶瓷材料的绝缘特性得到改善，击穿电场得到进一步提高。
7、进一步地，由于多种不同价态和半径的离子引入，调控了相结构演变并稳定了多相共存态；导致了晶格畸变和电荷失衡，增强了nbst-bmz陶瓷材料的结构无序性，使得局域随机场增强而各向异性场减弱。局域随机场的增强会破坏铁电体的长程有序结构，促使铁电宏畴向短程有序的微畴和/或极性纳米微区演变；各向异性场的减弱能使自由能平坦化，降低各相间自由能势垒。
8、进一步地，由于多种不同价态和半径的离子引入，诱发缺陷偶极子钉扎畴壁效应，增大电畴翻转场并为电畴回转提供恢复力，表现为电滞回线向束腰型或类反铁电体型转变并伴随饱和极化延迟现象产生。
9、进一步地，得益于晶粒、带隙、局域随机场、各向异性场和缺陷偶极子的协同效应，改善了nbst-bmz陶瓷材料的绝缘特性并提高了击穿电场，细化了电畴结构并弱化了畴间耦合，调控了相结构演变并稳定了多相共存态，降低了电畴翻转势垒并加快了电畴响应速率，促进了电畴翻转与回转(极化扩展与恢复)；增强了弛豫特性并延迟了极化饱和，最终获得了一种兼具高可释放储能密度及效率的具有类反铁电特性的钛酸铋钠基无铅弛豫铁电储能陶瓷材料。
10、进一步地，本专利技术中x的范围为0≤x≤0.2，在该范围内nbst-bmz陶瓷材料的储能密度可达2～5j/cm3，储能效率可达80～95％；得益于上述协同效应，优选x＝0.15，该组分的最大可释放储能密度为5j/cm3，储能效率为90％。
11、一种具有类反铁电特性的钛酸铋钠基无铅弛豫铁电储能陶瓷材料的制备方法，为包括用通式(1-x)(na0.3bi0.38sr0.28tio3)-xbi(mg0.5zr0.5)o3(以下简写为：nbst-bmz)表示的具有类反铁电特性的钛酸铋钠基无铅弛豫铁电储能陶瓷材料的制备方法，其中，x的范围为0≤x≤0.2，所述陶瓷材料的制备方法包括如下步骤：
12、s1：选用纯度不低于98％的na2co3、bi2o3、sr2co3、tio2、mgo、zro2作为原料，并按照组成通式(1-x)(na0.3bi0.38sr0.28tio3)-xbi(mg0.5zr0.5)o3中的化学计量比进行称量，经由球磨混料、预烧结和破碎等环节，制得nbst-bmz陶瓷粉体；
13、s2：将步骤s1中所得nbst-bmz陶瓷粉体与溶剂、分散剂、黏结剂、和消泡剂进行均匀混合以获得nbst-bmz陶瓷浆料，通过流延成型工艺制得nbst-bmz厚膜，并通过叠层热压工艺制得nbst-bmz陶瓷生坯；
14、s3：将步骤s2中所得nbst-bmz陶瓷生坯进行排胶及烧结处理，制得具有类反铁电特性的nbst-bmz陶瓷。
15、进一步地，步骤s1中所称量的na2co3和bi2o3略微过量1～5％。
16、进一步地，步骤s1具体如下：
17、s101：将步骤s1中所述原料粉体置于烘箱中，并于80～100℃下干燥1～2h；
18、s102：根据通式中化学计量比称量干燥后的原料粉体并置入磨罐中，按照粉体：锆球：无水乙醇＝1：(1～5)：(1～3)的质量比加入研磨介质，以200～300rpm的转速球于球磨机中混合6～18h，得到均匀浆料；
19、s103：将步骤s102中浆料和锆球分离并放入烘箱于80～12本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种具有类反铁电特性的钛酸铋钠基无铅弛豫铁电储能陶瓷材料，其特征在于，所述陶瓷材料的组成通式为：(1-x)(Na0.3Bi0.38Sr0.28TiO3)-xBi(Mg0.5Zr0.5)O3(以下简写为：NBST-BMZ)，其中0≤x≤0.2。
2.一种如权利要求1所述的具有类反铁电特性的钛酸铋钠基无铅弛豫铁电储能陶瓷材料，其特征在于，上述材料组成通式中x的范围为0≤x≤0.2，其中优选x＝0.15。
3.一种如权利要求1所述的具有类反铁电特性的钛酸铋钠基无铅弛豫铁电储能陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中所称量的Na2CO3和Bi2O3略微过量1～5％。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤S1具体如下：
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中所述溶剂为甲苯、二甲苯、乙酸乙酯、乙醇、丁酮中的一种或多种，含量为陶瓷粉体质量的70～150％；所述分散剂为磷酸三丁酯、三油酸甘油脂、蓖麻油中的一种或多种，含量为陶瓷粉体质量的1
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤S2具体如下：
8.根据权利要求3和7所述的制备方法，其特征在于，步骤S2和S205中所述多段热压工艺如下：热压温度为50～80℃，第一段热压压强为10Mpa，第二段热压压强为20Mpa，第三段热压压强为30Mpa，单段保温保压时间为5～20min，热压结束后自然冷却至室温。
9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤S3具体如下：
10.根据权利要求3和9所述的制备方法，其特征在于，步骤S3和S301中所述的多段升降温排胶工艺为：第一段排胶工艺以0.5～3℃/min的升温速率将温度从室温升至180～200℃并保温60～120min；第二段排胶工艺以0.5～1.5℃/min的升温速率将温度从180～200℃继续升至500～600℃并保温300～480min；第三段排胶工艺以1～2℃/min的降温速率将温度从500～600℃降至200～300℃，之后随炉冷却至室温。
11.根据权利要求3和9所述的制备方法，其特征在于，步骤S3和S302中所述的多段升降温烧结工艺为：第一段烧结工艺以5～8℃/min的升温速率从室温升至800～950℃保温0min；第二段程序以2～5℃/min的升温速率从800～950℃升温至1100～1180℃并保温1～5h；第三段程序以3～6℃/min的降温速率从1100～1180℃降温至800～950℃，之后随炉自然冷却至室温。
...【技术特征摘要】
1.一种具有类反铁电特性的钛酸铋钠基无铅弛豫铁电储能陶瓷材料，其特征在于，所述陶瓷材料的组成通式为：(1-x)(na0.3bi0.38sr0.28tio3)-xbi(mg0.5zr0.5)o3(以下简写为：nbst-bmz)，其中0≤x≤0.2。
2.一种如权利要求1所述的具有类反铁电特性的钛酸铋钠基无铅弛豫铁电储能陶瓷材料，其特征在于，上述材料组成通式中x的范围为0≤x≤0.2，其中优选x＝0.15。
3.一种如权利要求1所述的具有类反铁电特性的钛酸铋钠基无铅弛豫铁电储能陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤s1中所称量的na2co3和bi2o3略微过量1～5％。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤s1具体如下：
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤s2中所述溶剂为甲苯、二甲苯、乙酸乙酯、乙醇、丁酮中的一种或多种，含量为陶瓷粉体质量的70～150％；所述分散剂为磷酸三丁酯、三油酸甘油脂、蓖麻油中的一种或多种，含量为陶瓷粉体质量的1～5％；所述黏结剂为聚乙烯醇缩丁醛，含量为陶瓷粉体质量的5～15％；所述增塑剂为邻苯二甲酸丁苄酯、邻苯二甲酸二丁酯、聚乙二醇中的一种或多种，含量为陶瓷粉体质量的2～8％；所述消泡剂为二甲基硅油、消泡剂716中的一种或多种，含量为陶瓷粉体质量的0～1％。
7.根...
【专利技术属性】
技术研发人员：袁颖，孟祥俊，钟朝位，张树人，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。