[发明专利]一种兼具高储能密度，高功率密度和高效率的钛酸钡基弛豫铁电陶瓷材料及其制备方法

说明书

本发明提供一种兼具高储能密度、高功率密度和高效率的钛酸钡基弛豫铁电陶瓷材料及其制备方法，属于电介质储能陶瓷材料技术领域；其化学组成为Bisubgt;x/subgt;Basubgt;1‑3x/2/subgt;TiOsubgt;3/subgt;(0.08≤x≤0.18)。方法包括：在BaTiOsubgt;3/subgt;的A位引入Bisupgt;3+/supgt;，然后采用固相反应法合成。本发明所制得的钛酸钡基弛豫铁电陶瓷材料的储能密度能够达到6.48J/cmsupgt;3/supgt;，储能效率可以稳定在92％以上，且在480kV/cm的电场下，储能效率可以达到94.6％。此外，其制备方法简单，成本低廉，对环境友好，可以大规模生产。

技术领域

本发明涉及电介质储能陶瓷材料领域，具体涉及一种兼具高储能密度、高功率密度和高效率的钛酸钡基弛豫铁电陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

近年来，储能陶瓷电容器以耐高电场、高功率密度等优点广泛应用于通讯、医疗、军事等脉冲功率电子系统。目前，应用最为广泛的储能陶瓷电容器当属铅基电容器，但是随着环境保护的要求以及可持续发展战略的推进，发展无铅陶瓷电容器已逐渐成为必然趋势。相比于铅基储能陶瓷，制约无铅储能陶瓷发展的最大问题是储能密度低，难以顺应脉冲功率系统元器件小型化、集成化的发展趋势。研究发现，具有高储能密度的材料通常具有耐高电场、低介电损耗和高介电常数等特点。

在无铅功能陶瓷中，钛酸钡陶瓷具有介电常数大、介电损耗低等优势，目前已被广泛应用于多层陶瓷电容器等电子元器件领域。但作为储能材料，钛酸钡陶瓷存在温度稳定性差、击穿场强低、储能效率低等不足，限制了其在储能材料中应用。针对于此，现阶段主要通过掺杂改性、包覆改性等方式，合成钛酸钡基弛豫铁电体，但目前仍未发现兼具的高储能密度、高功率密度和高效率的储能材料。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种钛酸钡基弛豫铁电陶瓷材料及其制备方法，其兼具高储能密度、高功率密度和高效率。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

第一方面，提供一种兼具高储能密度、高功率密度和高效率的钛酸钡基弛豫铁电陶瓷材料，其化学组成为Bi_xBa_1-3x/2TiO₃(0.08≤x≤0.18)。

优选地，0.10≤x≤0.16，x具体例如可以为0.10、0.12、0.13、0.14、0.15、 0.16。

更优选地，x＝0.12。

在上述优选x方案下，其储能密度能够达到6.48J/cm³，储能效率可以稳定在92％以上，且在480kV/cm的电场下，储能效率可以达到94.6％。这主要是因为Bi³⁺的取代改性，使BaTiO₃由宏观电畴转变为极性纳米畴，弛豫性增强。且该组分的晶粒尺度较小，致密度较高，使其具有更高的击穿场强。

第二方面，提供第一方面所述的钛酸钡基弛豫铁电陶瓷材料的制备方法，包括：在BaTiO₃的A位引入Bi³⁺，然后采用固相反应法合成。

其中，优选地，具体采用以下步骤：

S1、按照Bi_xBa_1-3x/2TiO₃化学计量比称取Bi₂O₃、BaCO₃、TiO₂，与乙醇混合进行球磨，然后进行烘干、研磨、一次煅烧以及冷却；

S2、将S1煅烧后得到的样品滴加粘结剂进行造粒，然后烧结；

S3、将S2烧结得到的陶瓷片进行打磨，并在上下表面涂覆银浆，然后进行二次煅烧，冷却后即可得到一种兼具高储能密度，高功率密度和高效率的钛酸钡基弛豫铁电陶瓷材料。