[发明专利]一种无铅多层高储能密度陶瓷材料及其制备方法

说明书

一种无铅多层高储能密度陶瓷材料及其制备方法，将有机溶剂和乳化剂混合均匀，然后加入粉体、粘结剂、分散剂和增塑剂，并混合均匀，得到第一流延浆料；其中，粉体为SrTiO₃粉体与Li₂CO₃的混合物；将有机溶剂和乳化剂混合均匀，然后加入粉体、粘结剂、分散剂和增塑剂，并混合均匀，得到第二流延浆料；将第一流延浆料与第二流延浆料分别采用流延成型的方式进行流延成型，得到第一流延层或第二流延层，然后叠加，加压，排胶，烧结成瓷，得到无铅多层高储能密度陶瓷材料。本发明的陶瓷材料制备工艺简单、技术成熟，适合工业化生产，基于电滞回线计算的储能密度可以达到2.72J/cm³，电场强度均在200kV/cm以上。

技术领域

本发明属于储能陶瓷领域，具体涉及一种无铅多层高储能密度陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

脉冲功率技术是在二十世纪六十年代兴起的一个多学科交叉融合的新兴技术领域，具有高电压、大电流、强脉冲等众多优点，能够在极短的时间(微妙，甚至纳秒)内以极高的功率密度向负载释放电能的电物理技术。脉冲功率技术已经被广泛的应用于激光、离子束、武器、大功率微波等设备中。但是现有的大多数脉冲功率电容器所用材料中含有污染环境、危害人类健康的铅元素，而无铅材料由于击穿电场强度低或最大极化强度小等原因，导致储能密度小，难以满足脉冲功率体系面向小型化和集成化发展的需要。随着人类社会的进步和脉冲技术的不断发展，提高无铅脉冲功率电容器的储能密度已经成为至关重要的问题。

与聚合物储能电容器相比，储能陶瓷电容器具有抗循环老化、机械性能好、适用于高温高压等极端环境的优点，能够有效的提高储能陶瓷材料的储能密度是研制并实现脉冲元器件小型化的关键。通常情况下，储能陶瓷材料的储能密度可以通过电滞回线(P-E曲线)进行计算得到。其可释放的能量密度(W_rec)为电滞回线中放电曲线与Y轴围成的封闭区域，总的能量密度(W)为电滞回线中充电曲线与Y轴围成的封闭区域，W_rec与W可由下式表示：

由上式(1)和(2)可知，要获得较高的储能密度，所制备的陶瓷材料必须具有高的电场强度(E)、大的最大极化强度(P_max)和小的剩余极化强度(P_r)。

SrTiO₃属于ABO₃型钙钛矿晶体，是典型的量子顺电体，室温下是立方结构，呈顺电相，具有较高的介电常数和较高的耐压强度，并且介电损耗低，频率稳定性好，是目前研究最广泛、最具有吸引力的无铅储能介质陶瓷体系之一。但是SrTiO₃陶瓷的最大极化强度较小，储能密度较低，从而限制了其在实际生产中的应用。Bi_0.5Na_0.5TiO₃基材料作为一类典型的无铅介电、铁电材料，具有较高的最大极化强度和较低的介电损耗值，但是击穿电场强度比较小，同样使得Bi_0.5Na_0.5TiO₃基材料的储能密度较低。

目前，无铅陶瓷材料的击穿电场强度以及储能特性有待提高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种无铅多层高储能密度陶瓷材料及其制备方法，这种陶瓷材料的击穿电场强度高，储能特性优异，储能密度均在1.8J/cm³以上，电场强度均在200kV/cm以上，并且在制备过程中采用的流延成型技术成熟，所使用到的价格低廉，具有环境友好、实用性好等特性。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种无铅多层高储能密度陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：