一种具有高储能特性的钛酸铋钠基无铅陶瓷及其制作工艺的制作方法

本发明涉及无铅压电陶瓷，特别涉及一种具有高储能特性的钛酸铋钠基无铅陶瓷及其制作工艺。

背景技术：

1、储能电介质陶瓷相比于聚合物储能材料，具有储能效率高、充放电速率快、耐高温、高抗疲劳等特点，其被广泛应用于家用电器、医疗设备、能量转换器等多个领域中。目前大多数储能电介质陶瓷都是基于高外加电场（电场强度≥320kv/cm）获得较高的储能密度，在低外加电场强度下储能密度较低。

2、目前大多数电子元器件所使用的电场强度在200kv/cm以下，较高的电场强度会给其他电子元器件带来较大的负担同时也会增加能源消耗，因此研发一种在低电场强度下（电场强度≤200kv/cm）具有高储能特性的储能电介质陶瓷是尤为必要的。

技术实现思路

1、针对以上问题，本发明提出一种在低外加电场强度下具有高效储能密度和高储能效率的钛酸铋钠基无铅储能陶瓷及其制作工艺，其工艺中采用粉料干压成型的方式，并控制烧结等工艺参数，制备出剩余极化强度低、有效储能密度高、储能效率高、充放电速率快的钛酸铋钠基无铅储能陶瓷，其有利于在脉冲功率电路中的实际使用。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种具有高储能特性的钛酸铋钠基无铅陶瓷，所述钛酸铋钠基无铅陶瓷的化学组成为：ba0.12na0.3bi0.3sr0.28-1.5 xr x+yti1-yo3；r为三价稀土离子，0.00≤ x ≤0.10，0.00≤ y ≤0.10，其中x，y为摩尔百分比。

3、一种具有高储能特性的钛酸铋钠基无铅陶瓷的制作工艺，包括以下步骤：

4、（a）根据钛酸铋钠基无铅陶瓷的化学组成中的物质配比选用化学纯的原料进行称量，而后混合氧化锆球磨子和无水乙醇，经球磨之后得到浆料；

5、（b）将浆料在80℃烘干后干压成块，放入热处理炉中，在700-900℃下保温预烧3h后研磨得到预烧粉料；

6、（c）将预烧粉料再次混合氧化锆球磨子和无水乙醇，球磨之后得到混合浆料后再次烘干得到粉料，将粉料配以pva混合后得到造粒后的粉体；

7、（d）将造粒后的粉体冷等静压成型成圆柱，埋入母粉，在1100-1300℃的烧结炉中，保温烧结2-4h，得到烧成的储能陶瓷；

8、（e）将烧成的储能陶瓷按尺寸要求磨薄并且抛光，然后在储能陶瓷两侧的表面镀上一层厚度为0.1±0.01mm、直径为8mm的圆形银层，再在500-700℃的烧结炉中保温烧结0-30min，得到镀银储能陶瓷圆片。

9、在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：步骤（c）中所述粉料、氧化锆球磨子和无水乙醇的比重为1:4:3。

10、在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：步骤（a）和步骤（c）采用球磨方法磨浆，球磨的转速为300-600rpm，时间为24-48h。

11、在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：步骤（c）中pva占质量百分比5%。

12、在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：步骤（d）中冷等静压的压力为200mpa，保压时间为3min。

13、在上述方案的基础上并作为上述方案的优选方案：步骤（d）中母粉为同化学组成且已烧结10次以上的粉体。

14、本发明的有益效果如下：与现有技术相比，本发明中的储能陶瓷选用钛酸铋钠基无铅储能陶瓷作为脉冲电容器电介质材料，通过组分调控和工艺优化的方式，在尽量保持饱和极化强度不衰减的同时，大幅度降低剩余极化强度，有效地提升了储能陶瓷的有效储能密度和储能效率；利用本发明中制作工艺得到的钛酸铋钠无铅储能陶瓷，其有效储能密度在1.5j/cm3以上，储能效率在80%以上且热稳定性良好。

技术特征：

1.一种具有高储能特性的钛酸铋钠基无铅陶瓷，其特征在于，所述钛酸铋钠基无铅陶瓷的化学组成为：ba0.12na0.3bi0.3sr0.28-1.5xrx+yti1-yo3；r为三价稀土离子，0.00≤ x ≤0.10，0.00≤ y ≤0.10，其中x，y为摩尔百分比。

2.一种权利要求1所述的具有高储能特性的钛酸铋钠基无铅陶瓷的制作工艺，其特征在于，包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的一种具有高储能特性的钛酸铋钠基无铅陶瓷的制作工艺，其特征在于：步骤（c）中所述粉料、氧化锆球磨子和无水乙醇的比重为1:4:3。

4.根据权利要求2所述的一种具有高储能特性的钛酸铋钠基无铅陶瓷的制作工艺，其特征在于：步骤（a）和步骤（c）采用球磨方法磨浆，球磨的转速为300-600rpm，时间为24-48h。

5.根据权利要求2所述的一种具有高储能特性的钛酸铋钠基无铅陶瓷的制作工艺，其特征在于：步骤（c）中pva占质量百分比5%。

6.根据权利要求2所述的一种具有高储能特性的钛酸铋钠基无铅陶瓷的制作工艺，其特征在于：步骤（d）中冷等静压的压力为200mpa，保压时间为3min。

7.根据权利要求2所述的一种具有高储能特性的钛酸铋钠基无铅陶瓷的制作工艺，其特征在于：步骤（d）中母粉为同化学组成且已烧结10次以上的粉体。

技术总结本发明公开了一种具有高储能特性的钛酸铋钠基无铅陶瓷及其制作工艺，其采用粉料干压成型的方式，并调控组分和控制烧结等工艺参数，制备剩余极化强度低、有效储能密度高、储能效率高、充放电速率快的钛酸铋钠基储能陶瓷，可选作为脉冲电容器电介质材料。技术研发人员：龚文,吴超峰受保护的技术使用者：桐乡清锋科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/5/29