一种兼具高储能密度与低损耗、宽温频稳定性的钛酸锶铋基介电储能陶瓷材料及其制备方法

本发明属于电介质电子功能陶瓷材料领域，具体涉及一种兼具高储能密度与低损耗、宽温频稳定性的钛酸锶铋基介电储能陶瓷材料及其制备方法。

背景技术：

1、随着脉冲功率、军工以及电力电子装备的不断发展，对储能电容器提出了小型化、轻量化发展需求。介电储能陶瓷电容器凭借充放电速度快、功率密度高、耐高压、循环使用寿命长等突出优势，是高能脉冲功率系统中极为关键的基础元器件。基于积分计算电介质电容器的总能量密度(wtotal)、能量损耗(wloss)、效率(η)和可恢复能量密度(wrec)，电介质储能材料是通过电介质极化储存电能的绝缘材料，其主要用于高功率脉冲电源、电力电子等领域。然而，现阶段陶瓷电介质储能材料普遍存在储能密度偏低的问题，使得以此作为核心介质的储能元器件通常体积大、重量高。该缺陷不仅极大地制约了这类材料在高性能储能场景下的推广使用，同时也阻碍了脉冲功率系统等以陶瓷电容器为核心部件装备朝着小型化、轻量化、多功能集成化方向迭代发展。

2、

3、ding等通过在sbt陶瓷中引入复合端元bi(nb1/3ni2/3)o3，诱导形成高动态极性纳米微区的形成，使陶瓷获得较高的可恢复储能密度3.71j/cm3；kong等对0.9(sr0.7bi0.2)tio3-0.1bi(mg0.5me0.5)o3 (me=ti, zr, hf)弛豫铁电陶瓷相应的储能性能进行了研究，最终在0.9(sr0.7bi0.2)tio3-0.1bi(mg0.5hf0.5)o3陶瓷中获得了最佳储能性能，可恢复储能密度为3.1 j/cm3，储能效率为93%。现有改性工作虽然能够实现极性纳米微区的调控，但其可恢复储能密度依旧处于有限水平，难以适配脉冲功率器件小型化发展对高储能密度介质的现实要求。针对钛酸锶铋基陶瓷，仍有必要发掘全新的复合改性端元，进一步提升材料的可恢复储能密度。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提供了一种兼具高储能密度与低损耗、宽温频稳定性的钛酸锶铋基介电储能陶瓷材料制备方法。并且其储能密度为3.1~5.37j/cm3、储能效率为84.4%~86.78%、损耗tanδ为0.00013~0.00023，在宽温度、频率区间均表现出优异稳定性，使其可应用于电子电力、军工以及高能脉冲功率技术等领域。

2、为了实现上述优点，本发明可通过下面技术措施实现：

3、本发明提供一种兼具高储能密度与低损耗、宽温频稳定性的钛酸锶铋基介电储能陶瓷材料，其化学式组成为(1-x)sr0.7bi0.2tio3-xbi2/3(mg1/3nb2/3)o3，0.05≤x≤0.20，其中x分别为0.05、0.10、0.15或0.20。该陶瓷经过多离子sr2+、bi3+、mg2+、ti4+、nb5+协同掺杂实现多重性能调控，通过电荷平衡在a位形成bi空位，局域化载流子、钉扎氧空位迁移，降低介电损耗；nb5⁺占据b位产生轨道掺杂效应，其4d轨道与基体ti4⁺的3d轨道杂化耦合，拓宽禁带宽度、提升击穿场强。二者协同调控极化弛豫，抑制极化提前饱和，在维持大极化差值的同时降低剩余极化，实现高储能密度和储能效率。

4、兼具高储能密度与低损耗、宽温频稳定性的钛酸锶铋基介电储能陶瓷材料制备方法包含以下步骤：

5、(1-x)sr0.7bi0.2tio3-xbi2/3(mg1/3nb2/3)o3（0.05≤x≤0.20）陶瓷粉体的制备与二次球磨

6、(1-x)sr0.7bi0.2tio3-xbi2/3(mg1/3nb2/3)o3（0.05≤x≤0.20）陶瓷是以碳酸盐或氧化物加入，按照化学通式将原料分别进行称量、配料、搅拌，按照原料：锆球：分散介质1:6:1的质量比例进行混合，放于聚氨酯球磨罐中。

7、进一步的，将球磨罐放于行星球磨机上球磨4~6h，球磨转速为300~360r/min，并在80~100℃恒温烘干箱中烘干。

8、进一步的，将烘干的粉末装进坩埚中，并将坩埚放于马弗炉中，以5℃/min升温至800~950℃，保温3-5h，随后随炉冷却到室温后得到(1-x)sr0.7bi0.2tio3-xbi2/3(mg1/3nb2/3)o3陶瓷粉体，随后进行二磨，并在80℃下进行恒温烘干，得到(1-x)sr0.7bi0.2tio3-xbi2/3(mg1/3nb2/3)o3粉体材料。

9、造粒压片、排胶

10、进一步的，将二磨烘干后的粉体与5%的pva溶液混合后进行造粒，并将造粒粉末过60目304不锈钢筛子，然后在2~4mpa下压成直径为8mm、厚度为1~1.2mm的(1-x)sr0.7bi0.2tio3-xbi2/3(mg1/3nb2/3)o3初坯。

11、进一步的，将上述所得陶瓷初坯以2℃/min升温到600℃~650℃保温3~4h后，随炉冷却后得到陶瓷坯体。

12、烧结与被银

13、进一步的，将排胶所得到的陶瓷坯体以1200~1250℃进行烧结，并保温2~3h，且升温速率为前1000℃以10℃/min升温，后续温度以5℃/min升温，保温结束后随炉冷却。所述被银是将烧结冷却后的片进行表面抛光，经过超声清洗后刷上高温银浆，并在600℃~700℃下保温10min，升温速率是5℃/min。

14、获得(1-x)sr0.7bi0.2tio3-xbi2/3(mg1/3nb2/3)o3陶瓷材料，0.05≤x≤0.20，其中x分别为0.05、0.10、0.15或0.20。

15、本发明的技术方案所带来的有益效果包括：

16、1.在烧结温度上，比同类型的钛酸锶铋基介电陶瓷的烧结温度低，其烧结温度为(1200~1250℃)，且晶粒均匀，较好的提高了其烧结活性。

17、2.该钛酸锶铋基储能陶瓷具有优异的储能密度及储能效率、低损耗，且可以用于电子电力、军工以及高能脉冲功率技术等领域的电介质电容器。

1.一种兼具高储能密度与低损耗、宽温频稳定性的钛酸锶铋基介电储能陶瓷材料，其特征在于，其化学组成成分为 (1-x)sr0.7bi0.2tio3-xbi2/3(mg1/3nb2/3)o3，0.05≤x≤0.20。

2.根据权利1所述的钛酸锶铋基介电储能陶瓷，其特征在于，所述x为0.05、0.10、0.15、0.20；该陶瓷最优储能密度5.37j/cm3，储能效率为84.4%；宽温度、宽频率下储能性能波动极小。

3.一种如权利要求1-2任一所述的兼具高储能密度与低损耗、宽温频稳定性的钛酸锶铋基介电储能陶瓷材料制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述合成方法是在马弗炉中以5℃/min升温至800~950℃，保温2~4h，随后随炉冷却到室温后得到(1-x)sr0.7bi0.2tio3-xbi2/3(mg1/3nb2/3)o3粉体，然后进行二磨，并在80℃下进行恒温烘干。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述造粒为：将上述二磨后烘干的粉体与5%的pva溶液混合后进行造粒，并将造粒粉末过60目304不锈钢筛子，然后在2~3mpa下压成直径为8mm、厚度为1~1.2mm的(1-x)sr0.7bi0.2tio3-xbi2/3(mg1/3nb2/3)o3钛酸锶铋基介电储能陶瓷圆坯。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述排胶为以2℃/min升温到600℃~650℃保温3~4h后，随炉冷却后得到陶瓷初坯。

7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述烧结是将排胶所得到的陶瓷坯体以1200~1250℃进行烧结，并保温2h，且升温速率为以10℃/min升温至1000℃，后续温度以5℃/min升温，保温结束后随炉冷却。

8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述被银是将烧结冷却后的片进行抛磨，经过超声清洗后刷上高温银浆，并以5℃/min的升温速率升至在600℃~700℃且保温10min。

9.一种如权利1要求所述的用于电子电力、军工以及高能脉冲功率技术等领域的(1-x)sr0.7bi0.2tio3-xbi2/3(mg1/3nb2/3)o3钛酸锶铋基介电储能陶瓷材料，其中x为0.05、0.10、0.15或0.20。