[发明专利]一种用于储能电容器的反铁电陶瓷材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于储能电容器的反铁电陶瓷材料及其制备方法和应用，属于功能陶瓷材料技术领域。

背景技术

为了满足核物理、电子束、加速器、激光等领域对高压脉冲大电流发生器日益增长的重大需求，近年来储能电容器呈现出了小型化、集成化、模块化、高可靠性的发展趋势，其中以反铁电陶瓷材料为电介质的电容器，由于其具有储能密度高、性能稳定、抗电磁干扰能力强等优点，被认为在上述对器件小型化和可靠性有严格要求的领域具有独特优势，是制备储能电容器的理想材料。

反铁电陶瓷材料的研究可追溯到上世纪五六十年代。由于锆酸铅(PbZrO₃)反铁电陶瓷相变场强比较高，并且在室温下不能激发出双电滞回线，故发展了以锆钛酸铅(Pb(Zr,Ti)O₃，PZT)固溶体为主晶相的反铁电陶瓷材料。这些固溶体材料包括锆钛摩尔比在95/5附近的PZT反铁电陶瓷材料，在一定温度、应力和电场等外界条件下可发生铁电-反铁电相变。但该体系的反铁电相区相对较小，极易在材料合成过程由于组分偏离而不能发生相变。此外，PZT95/5材料的反铁电相还需要在高温和强电场下才能转变成铁电相，这也制约该种材料应用。因此该二元体系也不宜制作反铁电陶瓷储能电容器材料。若在PZT二元系的基础上加入第三、第四组分形成复合钙钛矿结构，可大大提高反铁电陶瓷的性能。通过Sn⁴⁺离子部分取代PZT中的B位离子形成的锆锡钛酸铅(Pb(Zr,Sn,Ti)O₃,PZST)反铁电材料，可以在更大范围内调节反铁电-铁电相变条件以改善材料的性能，这也是目前研究最为深入并获得实际应用的反铁电陶瓷材料。目前有两个系列，一个是以PZST固溶体为基础，用La³⁺替代部分Pb²⁺，即(Pb,La)(Zr,Sn,Ti)O₃，(PLZST)体系；另一个也是以PZST固溶体为基础，掺杂Nb⁴⁺的(Pb,Nb)(Zr,Sn,Ti)O₃，(PNZST)体系。因为含La的体系比含Nb的体系具有宽得多的四方反铁电相的稳定区域，所以可供选择的组成范围亦较广。

上述PLZST体系反铁电陶瓷材料的烧结温度在1300℃左右，如果制作成多层陶瓷电容器的话，就需要大量的贵金属电极材料，这样会使成本大增。为了减少贵金属电极材料的使用量，就必须将瓷料的烧结温度降低至1150℃以下。此外，反铁电陶瓷储能电容器面临的另一个问题是反铁电陶瓷材料具有很大的电致应变，尤其是发生反铁电与铁电相变时，这对储能电容的应用有很大影响。因为在电容器充放电时，必然伴随着材料反复形变，而形变产生的巨大应力有可能导致晶界出现裂纹，随着反复充放电次数增多，这种裂纹由晶界处逐渐扩展，致使瓷体击穿破坏。因此，提高反铁电陶瓷储能电容器的可靠性，即增加其反复充放电次数，也是目前迫切需要解决的一个问题。

发明内容

本发明的目的在提供一种用于储能电容器的反铁电陶瓷材料。

本发明的目的也在于提供上述反铁电陶瓷材料的制备方法。

本发明的目的还在于提供上述反铁电陶瓷材料在制备反铁电陶瓷储能电容器中的应用。

一种用于储能电容器的反铁电陶瓷材料，其化学成分符合化学通式(1-x-y-z)(Pb_1-3p/2-qLa_pSr_q)(Zr_1-m-nSn_mTi_n)O₃+xPb(Mg_0.5W_0.5)O₃+yBiFeO₃+zBa(Cu_0.5W_0.5)O₃，其中0.04≤p≤0.06，0≤q≤0.02，0.27≤m≤0.40，0.07≤n≤0.11，0≤x≤0.07，0≤y≤0.05，0≤z≤0.05，所述p、q、m、n、x、y、z为摩尔数。

一种反铁电陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：