一种非等比高熵陶瓷电容器介质及其制备方法与流程

本发明涉及无机非金属材料，具体涉及一种非等比高熵陶瓷电容器介质及其制备方法。

背景技术：

1、电容器作为电力设备整体系统的一部分，其发挥着旁路、去耦、滤波以及储能的作用，是电力系统不可或缺的电子元件。近年来，随着国家智能电网的迅猛发展，电力设备不断追求小型化、轻量化，这就要求电容器具备大容量、高耐压等特点，此外，电容器也应具备较低的介电损耗以及高绝缘强度，以减少其在使用过程中的热积累，保证电容器的使用寿命。而电介质，即介电材料，作为电容器最关键的组成部分，其性能的优劣则在很大的程度上决定了电容器是否满足电网的使用要求。而陶瓷介电材料因具备介电常数高、耐磨损以及不易老化等众多优点是目前研究最多、应用最广泛的电介质。

2、近些年出现的高熵材料可以表现出意想不到的行为或特性，而将高熵引入陶瓷所得到的高熵陶瓷具有较好的效果。从热力学的角度来看，“高熵”降低了系统的吉布斯自由能，能够使材料系统更加稳定。近几年，高熵陶瓷材料的发展已扩展到介电储能领域，不过关于高熵陶瓷的介电及储能性能的研究才刚刚兴起。目前报道了一些高熵钙钛矿陶瓷如(bi0.2na0.2k0.2la0.2sr0.2)tio3陶瓷(j.am.ceram.105(2),1083-1094(2022))及(bi0.2na0.2k0.2ba0.2ca0.2)tio3陶瓷(ceram.int.46(12),20576-20581(2020))等，但其介电常数较低，在1400以下；而等摩尔比组成元素的高熵陶瓷由于元素的比例固定，导致其介电性能受限，因而发展比例不同的元素组成，使熵进一步提高，从而提高高熵陶瓷的性能。北京科技大学的祁核陈骏教授课题组设计得到了[(k0.2na0.8)0.8li0.08ba0.02bi0.1](nb0.68sc0.02hf0.08zr0.1ta0.08sb0.04)o3陶瓷(nat.commun.13(1),3089(2022))，通过晶格畸变实现高熵策略，使击穿电场强度达到740kv/cm，提高了其储能效率。

3、稀土掺杂方法通常用于修改纳米粒子的电子结构，来实现新的金属氧化物的化学性能。稀土元素的掺杂会提高电极材料的电容量，因而稀土元素在介电储能领域也可以发挥较大的作用。电子科技大学唐斌向sr0.7bi0.2tio3陶瓷掺杂稀土元素nd元素来提高介电电容器的储能性能(j.alloys compd.966,171354(2023))。目前高熵陶瓷电容器主要是通过提高离子的多样性或者实现局部成分的晶格畸变来提高电容器的介电性能，而其由于组分的复杂性以及无序性使其介电性能研究仍处于起步阶段。

技术实现思路

1、本发明的目的是提出了一种非等比高熵陶瓷高压电容器介质的制备方法，通过控制(zn0.2zr0.1ba0.3sr0.1fe0.1)tio3陶瓷基体元素的非等摩尔比例以及向陶瓷基体中添加非等摩尔比稀土元素，进而得到rx(zn0.2zr0.1ba0.3sr0.1fe0.1)1-xtio3(r＝sm0.2nd0.2hf0.3，x＝0.4-0.7)，通过制备方法使其形成高介电稳定的非等比高熵陶瓷介质材料。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、上述非等比高熵陶瓷电容器介质的制备方法，包括下述步骤：

4、(1)按化学计量比配备(zn0.2zr0.1ba0.3sr0.1fe0.1)tio3陶瓷基体所需的baco3、tio2、zro2、zno、sro、fe2o3；

5、(2)将步骤(1)所配备的baco3、tio2、zro2、zno、sro、fe2o3粉碎并混合均匀，得到混合粉料；

6、(3)对步骤(2)得到的混合粉料进行一次球磨，烘干；

7、(4)将烘干后的陶瓷粉料倒入氧化铝坩埚中，放入马弗炉进行预烧；

8、(5)按照化学计量比x＝0.4-0.7将稀土氧化物sm2o3、nd2o3、hfo2加入到步骤(4)得到的陶瓷粉料中混合均匀，得到混合粉料；

9、(6)对步骤(5)得到的混合粉料进行二次球磨，烘干；

10、(7)将烘干后的陶瓷粉料倒入氧化铝坩埚中，放入马弗炉进行二次预烧

11、(8)向干粉料中加入粘结剂并进行造粒，得到颗粒状物料；

12、(9)将步骤(8)得到的颗粒状物料压制成生坯片；

13、(10)将生坯片置于1300-1400℃下保温2小时，使生坯片排出粘结剂并烧结，得到所述非等比高熵陶瓷电容器介质。

14、得到的高压陶瓷电容器介质为陶瓷片，在800℃下保温15分钟进行烧银，形成银电极，再焊引线，进行包封，即得非等比高熵陶瓷电容器。

15、本发明与现有技术相比，具有如下优点：

16、1.本发明的介质组分不含铅和镉，对环境无污染。

17、2.本发明的非等比高熵陶瓷电容器介质介电常数高，20000以上；耐电压高，交流电压可达10kv/mm以上；介质损耗小，小于0.4％。本发明的非等比高熵陶瓷电容器介质由于介电常数很高，因此可以实现陶瓷电容器的小型化和大容量，进而降低成本。

18、3.本介质的电容温度变化率小，符合x7r特性的要求。介质损耗小于0.4％,使用过程中性能稳定性好，安全性高。

技术特征：

1.一种非等比高熵陶瓷电容器介质，其特征在于，所述的的高熵陶瓷结构为rx(zn0.2zr0.1ba0.3sr0.1fe0.1)1-xtio3；

2.权利要求1所述的一种非等比高熵陶瓷电容器介质的制备方法，其特征在于，包括如下技术步骤：

3.如权利要求2所述的非等比高熵陶瓷电容器介质的制备方法，其特征在于：步骤(3)中对混合粉料进行球磨、烘干，球磨时间为200-300r/min，烘干时间为6-10h。

4.如权利要求2所述的非等比高熵陶瓷电容器介质的制备方法，其特征在于：步骤(4)对烘干后的陶瓷粉料进行一次预烧，一次预烧温度为600-800℃。

5.如权利要求2所述的非等比高熵陶瓷电容器介质的制备方法，其特征在于：步骤(6)对混合粉料进行二次球磨，球磨时间为100-140r/min。

6.如权利要求2所述的非等比高熵陶瓷电容器介质的制备方法，其特征在于：步骤(7)对烘干后的陶瓷粉料进行二次预烧，二次预烧温度为600-800℃及1100-1200℃，升温速率为3-5℃/min。

7.如权利要求2所述的非等比高熵陶瓷电容器介质的制备方法，其特征在于：步骤(10)对生坯片进行烧结，得到所述非等比高熵陶瓷电容器介质，烧结温度为1200-1300℃。

技术总结本发明涉及无机非金属材料技术领域，具体涉及一种非等比高熵陶瓷电容器介质及其制备方法，该高熵陶瓷结构为R<subgt;x</subgt;(Zn<subgt;0.2</subgt;Zr<subgt;0.1</subgt;Ba<subgt;0.3</subgt;Sr<subgt;0.1</subgt;Fe<subgt;0.1</subgt;)<subgt;1‑x</subgt;TiO<subgt;3</subgt;(R＝Sm<subgt;0.2</subgt;Nd<subgt;0.2</subgt;Hf<subgt;0.3</subgt;，x＝0.4‑0.7)。本发明具有很高的介电常数，耐电压强度高，介质损耗小，且在制备过程中无环境污染问题。技术研发人员：王丽熙受保护的技术使用者：苏州讯能光电科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/18