一种具有高击穿场强的BCZT基储能陶瓷材料及其制备方法

技术领域

本发明属于电子陶瓷及器件技术领域，具体涉及一种具有高储能密度和效率、高击穿场强和抗疲劳性能优异的储能陶瓷及其制备方法，该储能陶瓷可用于储能电容器。

背景技术

高储能密度陶瓷凭借其充放电速度快、抗循环老化能力强、高温和高压等极端条件下性能稳定等优点，在电子工业以及人工智能、物联网和5G等新一代信息工业技术领域均有着广阔的应用前景。

储能技术主要有机械储能、电磁储能、电容器储能、电化学储能四种。其中，陶瓷电容器储能凭借储能密度高、能量存储速度快和小型化等优点，已成为高功率脉冲电源系统中应用最广的储能器件之一。电介质电容器是由两个平行的电极板和中间填充的电介质材料组成。

2009年，学者Liu和Ren制备了一种BTO的钙钛矿新材料——锆钛酸钡钙Ba(Ti

(Ba

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有高储能密度、高击穿场强和抗疲劳性能好的BCZT基储能陶瓷材料及其制备方法。

针对上述目的，本发明提供的BCZT基储能陶瓷材料的组成通式为：(Ba

本发明BCZT基储能陶瓷材料的制备方法包括下述步骤：

步骤1：按照(Ba

步骤2：将原料混合物在1200～1250℃预烧2～3小时，得到(Ba

步骤3：将步骤2得到的(Ba

上述步骤2中，优选将原料混合物以3～5℃/分钟的升温速率升温至1200℃，恒温预烧2小时。

上述步骤3中，所述压片是先用粉末压片机在6～10MPa的压力下压制成圆柱状坯体，然后在210～230MPa的压力下冷等静压4～6分钟。

上述步骤3中，进一步优选以3～5℃/分钟的升温速率至1440℃，恒温烧结4小时。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明通过对(Ba

2、本发明陶瓷材料采用传统固相烧结法合成，制备工艺简单，成本低廉，可重复性好，且制备过程中不使用有毒的有机金属化合物，不产生有毒的附加产物，符合环境友好型的要求，适合工业化大规模生产。

3、本发明储能陶瓷材料可用于储能多层陶瓷电容器的制造，并且拓展了锆钛酸钡钙基陶瓷材料在储能方面的应用领域，有利于促进高储能密度陶瓷技术的应用与发展，具有良好的应用前景。

附图说明

图1是实施例1～4制备的BCZT基储能陶瓷材料的XRD衍射图。

图2是实施例1～4制备的BCZT基储能陶瓷材料的表面SEM图，(a)、(b)、(c)、(d)依次对应实施例1、2、3、4。

图3是实施例1～4制备的BCZT基储能陶瓷材料的在临界击穿场强下电滞回线图。

图4是实施例1～4制备的BCZT基储能陶瓷材料的在临界击穿场强下对应的储能密度、极化差值ΔP和储能效率。

图5是实施例3制备的BCZT基储能陶瓷材料的抗疲劳测试图(a)和其对应的储能性能(b)。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例对本发明作进一步地详细描述，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例。本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例BCZT基储能陶瓷材料的化学式为(Ba

步骤1：按照(Ba

步骤2：将原料混合物置于氧化铝坩埚内，用玛瑙棒压实，以5℃/min升到120℃，保温2h，随炉冷却，得到钙钛矿结构的(Ba

步骤3：将将步骤2得到的预烧体中加入质量分数为5％的聚乙烯醇水溶液，聚乙烯醇水溶液的加入量为预烧粉质量的5％，按5～8滴/g分三次加入，每次研磨半小时左右，研磨2h；然后将所得粉体用粉末压片机在6MPa的压力下保压3分钟压制成直径为10mm、厚度为1mm的圆柱状坯件，并将圆柱状坯体放入冷等静压机在200MPa的压力下保压5min进行冷等静压，所得素胚置于500℃保温3h进行排塑，将排塑后的素胚以5℃/分钟的升温速率升温至1420℃，保温4h进行烧结，随炉冷却，得到化学式为(Ba

实施例2

本实施例中，按照实施例1的方法制备化学式为(Ba

实施例3

本实施例中，按照实施例1的方法制备化学式为(Ba

实施例4

本实施例中，按照实施例1的方法制备化学式为(Ba

对上述实施例1～4制备的BCZT基储能陶瓷材料进行XRD测试，测试结果见图1。从图1可以看出，(Nb

对上述实施例1～4制备的BCZT基储能陶瓷材料进行表面SEM观测，从图2可以看出，实施例1～4晶粒均匀，晶界清晰，且气孔较少，陶瓷致密度高。

对上述实施例1～4制备的BCZT基储能陶瓷材料做打磨处理，用2000目的金刚砂加蒸馏水将陶瓷样品磨至200μm，抛光后擦拭干净，在离子溅射仪器中喷射直径为2mm的电极，然后进行室温下电滞回线测量，测试结果见图3。由图3可以看出，实施例1储能陶瓷材料的击穿电场达到了310kV/cm，实施例2储能陶瓷材料的击穿电场达到了340kV/cm，实施例3储能陶瓷材料的击穿电场达到了410kV/cm，实施例4储能陶瓷材料的击穿电场达到了340kV/cm。图4由图3计算而得，可以看出实施例1储能陶瓷材料的ΔP达到了23.26μC/cm

对实施例3制备的BCZT基储能陶瓷材料进行抗疲劳测试，测试结果见图5，其在循环10