[发明专利]一种工作在顺电相高储能反铁电复合陶瓷材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种工作在顺电相高储能反铁电复合陶瓷材料及其制备方法，其成分：由反铁电介质A0.88[(Pb_0.94La_0.04)(Sn_0.4Zr_0.6)_0.8Ti_0.2O₃]，线性介质B(0.08～0.10)[SrTiO₃/CaTiO₃]和绝缘介质C(0.02～0.04)[MgO/WO₃]三部分组成。分别用固溶法制备A、B、C粉体，再按配比混合制备本发明材料，经压片、烧结、磨平、涂覆银浆后，形成本发明的复合高储能反铁电陶瓷材料。本发明的材料居里温度在摄氏‑10～‑30℃，顺电相工作温度10～50℃，电场强度可达180kV/cm，储能密度为4.4～5.4J/cm³，储能效率大于90％。可实现室温环境下高储能的应用。本发明制备工艺简单、性能稳定、温度稳定性好，能量利用率高，适合工业推广。

技术领域

本发明涉及高储能密度反铁电陶瓷材料领域，具体涉及一种工作在顺电相高储能反铁电复合陶瓷材料及其制备方法，所述材料是一种耐高电压和宽温度稳定性的高储能密度反铁电复合陶瓷材料。

背景技术

电容器是一种简单、便利的电能存储并释放的电子器件。该器件具有高的功率密度(～GW/kg)、长的循环次数(10⁶)、快的充电和放电速度等特点。另外，也可利用该器件的能量快速释放制备成脉冲电子器件，或用于医疗设备：如心脏除颤器。近年来，电容器在光缆损伤探测、电动汽车、石油天然气勘探等领域也显示出了广阔的应用。同时，电容器小型化、轻型化及多功能方向发展对电容器储能密度及储能效率提出了更高的要求。提高电容器储能特性的关键在于开发出具有高储能密度及高储能效率的电介质材料。

近年来，人们在反铁电陶瓷领域做了大量的开发工作，得到了100多种材料。在无铅化的替代研究中，各种综合性能始终达不到含铅材料的水平；而在以锆酸铅为主体的材料中，人们对各种替代元素进行了反复的研究，发现锆锡钛酸镧铅(PLZST)反铁电陶瓷具有较好的储能特性，是国内外公认的优异反铁电陶瓷材料。然而，常规的做法是将工作的温度区域设置在反铁电相，在一定程度上可以得到高于铁电陶瓷的储能密度，但储能效率难以达到90％。我们的研究表明，将居里温度调节到室温以下，让反铁电体工作在顺电相可以获得更大的储能容量和储能效率。由于在顺电相只有极低的能量耗散，不会造成能源浪费和器件局部过热的现象。近期的研究表明，反铁电体在接近相变温度的顺电相具有最大的储能峰和100％的可逆储能，以及较高的温度稳定性。高存储密度的介电材料能够有效实现各种需求，特别是反铁电材料因其电场诱导的极化行为，导致了储能效率的增大。这种具有宽温度稳定性和高储能密度的材料在实际应用中具有重要的价值。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术反铁电储能陶瓷材料储能效率低的技术问题，提出一种工作在顺电相高储能反铁电复合陶瓷材料及其制备方法，所述材料是一种耐高电压和宽温度稳定性的高储能密度反铁电复合陶瓷材料。

本发明是这样实现的：利用添加线性介质材料能够降低反铁电材料居里温度及不引入铁电性的原理，将反铁电－顺电相变的居里温度调节到低于室温的温度，可获得:1)尽可能小的剩余极化强度和最大的效率；2)并利用线性介质(如SrTiO₃)的参入，扩大介电峰温区的技术以扩大储能峰的温区范围，保证材料工作的温度稳定性；3)利用提高绝缘性的技术，解决现有技术中反铁电储能陶瓷击穿场强低的技术问题。上述三项均有助于解决反铁电储能陶瓷储能效率低的技术问题。

本发明所述材料的化学通式为：

所述材料居里温度在摄氏零下10-30℃工作温度10-50℃，电场强度180kV/cm，储能密度为4.4～5.4J/cm³，储能效率大于90％。

本发明所述材料的制备方法，包括以下步骤：