一种同时具备高压电性能与高储能密度无铅陶瓷及其制备方法.pdf

本发明公开了一种高压电、高储能密度无铅陶瓷介质材料，成分以通式(0.95-x-y-z)Bi0.5Na0.5TiO3–xBi0.5K0.5 TiO3–yBa0.65Sr0.35Ti-O3–zK0.5Na0.5NbO3 –0.05LiTaO3来表示，其中x、y、z表示摩尔分数，0.002≤x≤0.3，0.002≤y≤0.2，0.001≤z≤0.3。本发明采用放电等离子烧结，可在低烧结温度下获得均匀致密的陶瓷组织。本发明的压电、高储能密度陶瓷具有优异的储能密度、储能效率及高压电常数，储能密度可达1.75J/cm3，储能效率可达65%，压电常数d33可达682pm/V、实用性好。

权利要求书
1.  一种高压电、高储能密度无铅陶瓷介质材料，其特征是：组成通式为：
(0.95-x-y-z)Bi0.5Na0.5TiO3–xBi0.5K0.5 TiO3 –yBa0.65Sr0.35Ti-O3–zK0.5Na0.5NbO3 –0.05LiTaO3
其中x、y、z表示摩尔分数，0.002≤x≤0.3，0.002≤y≤0.2， 0.001≤z≤0.3。

2.  如权利要求1所述的高压电、高储能密度无铅陶瓷介质材料的制备方法，其特征是包含以下步骤：
(1) 将原料按照(0.95-x-y-z)Bi0.5Na0.5TiO3–xBi0.5K0.5 TiO3 –yBa0.65Sr0.35Ti-O3– zK0.5Na0.5NbO3 –0.05LiTaO3    进行配料，以无水乙醇为介质球磨12小时，干燥后以850°C预烧2小时合成主晶相粉末；
（2）将步骤（1）的预烧粉末以无水乙醇为介质高能球磨12小时，干燥后获得粉末；
（3）将步骤（2）获得的粉体装入直径为12mm的石墨模具，在放电等离子烧结体系于700-900°C中保温5min，压力35M Pa，泄压后随炉冷却到室温；
（4）烧结后的样品加工成两面光滑、厚度约0.3mm的薄片，披银电极即成。

说明书一种同时具备高压电性能与高储能密度无铅陶瓷及其制备方法
技术领域
本发明涉及压电与介电储能陶瓷材料，具体是一种无铅压电与高储能密度陶瓷材料及其制备方法。
背景技术
压电陶瓷是实现机械能与电能相互转换的重要功能材料，在信息、激光、导航、电子技术、通讯、计量检测、精密加工和传感技术等高技术领域应用广泛。但是目前实用的压电陶瓷绝大部分是锆钛酸铅(PZT)或以锆钛酸铅为基的材料。由于含铅压电陶瓷在制备、使用和废弃后处理过程中都会对环境造成污染。因此寻找一种能够替代铅基压电陶瓷的无铅压电陶瓷材料是一项有重大社会和经济意义的课题。
目前，陶瓷电容器已经广泛应用于通讯、电脑、家电、汽车、工业仪器仪表、高铁、军工等众多领域，是电子设备不可缺少的元器件之一。电子电路的集成化和小型化，对陶瓷电容器提出了更高的要求，使其向小型化、高容量、低成本、多功能化等方向发展。高储能密度电容器具有充放电速度快、抗循环老化、性能稳定等优点，可作为电子设备的小型化电源。随着材料科学的发展，电容器逐渐向高储能、小型化、轻质量、低成本、高可靠性等方向发展，这对电容器电介质材料的介电性能提出了越来越高的要求。但目前电介质电容器存在储能密度低、放电寿命短等问题，难以满足新技术进一步发展的需求。因此，开放新的高储能密度介电材料是目前急需解决的热点问题。
迄今为止，对于同时具备高压电性能、高储能密度无铅陶瓷材料及其制备方法还未见报道。
发明内容
本发明目的是要提供一种同时具备高压电性能、高储能密度绿色环保无铅陶瓷及其制备方法。这种陶瓷材料压电应变常数大，储能密度高，成本低廉，环境友好、实用性好。这种陶瓷具有优异的压电性能及储能密度，压电常数d33可达682pm/V，储能密度可达1.75 J/cm3，环境友好、实用性好。
实现本发明目的的技术方案是：
一种高压电性能、高储能密度无铅陶瓷介质材料，其配方为：
(0.95-x-y-z)Bi0.5Na0.5TiO3–xBi0.5K0.5 TiO3 –yBa0.65Sr0.35Ti-O3–zK0.5Na0.5NbO3 –0.05LiTaO3
其中x、y、z表示摩尔分数，0.002≤x≤0.3，0.002≤y≤0.2， 0.001≤z≤0.3。
本发明高压电性能、高储能密度无铅陶瓷材料的制备方法，包括如下步骤：
(1) 将原料按照化学式(0.95-x-y-z)Bi0.5Na0.5TiO3–xBi0.5K0.5 TiO3 –yBa0.65Sr0.35Ti-O3– zK0.5Na0.5NbO3 –0.05LiTaO3
其中x、y、z表示摩尔分数，0.002≤x≤0.3，0.002≤y≤0.2， 0.001≤z≤0.3， 进行配料，以无水乙醇为介质球磨12小时，干燥后于850°C预烧2小时合成主晶相粉末；
（2）将步骤（1）的预烧粉末以无水乙醇为介质高能球磨12小时，干燥后获得粉末；
（3）将步骤（2）获得的粉体装入直径为12mm的石墨模具，在放电等离子烧结体系于700-900°C中保温5min，压力35M Pa，泄压后随炉冷却到室温。
（4）烧结后的样品加工成两面光滑、厚度约0.3mm的薄片，披银电极，然后测试压电性能与储能性能。
与已有材料及技术相比，本发明的特色体现在：
1. 本发明的陶瓷材料为四组元绿色环保材料，多组元可以在很宽的组成调控来实现高储能密度并兼具高压电性能。
2. 本发明采用放电等离子烧结，烧结温度低，时间短，可避免元素挥发以保持实际化学配比与计算配比一致，晶粒细小均匀，致密度高，可满足不同应用的需要。
附图说明：
附图1：本发明陶瓷材料的电滞回线。
具体实施方式
通过下面给出的实施例，可以进一步清楚的了解本发明的内容，但它们不是对本发明的限定。
实施例1：
制备成分为：(0.95-x-y-z)Bi0.5Na0.5TiO3–xBi0.5K0.5TiO3–yBa0.65Sr0.35Ti-O3–zK0.5Na0.5NbO3 –0.05LiTaO3，其中x=0.05，y=0.02，z=0.02的陶瓷材料。
制备方法包括如下步骤：
以电子级粉末：Bi2O3、Na2CO3、K2CO3、Li2CO3、BaCO3、SrCO3、Nb2O5、Ta2O5和TiO2为原料，分别按照以下化学式：
 (0.95-x-y-z)Bi0.5Na0.5TiO3–xBi0.5K0.5TiO3–yBa0.65Sr0.35Ti-O3–zK0.5Na0.5NbO3 –0.05LiTaO3进行配料，以无水乙醇为介质球磨湿磨12小时，80 ℃烘干后在在氧化铝坩埚中850℃保温2小时预合成主晶相粉末。
将合成主晶相粉末以无水乙醇为介质高能球磨12小时，干燥后获得粉末；
将获得的粉体装入直径为12mm的石墨模具，在放电等离子烧结体系于700°C中保温5min，压力35M Pa，泄压后随炉冷却到室温。
烧结后的样品加工成两面光滑、厚度约0.3mm的薄片，披银电极，然后测试压电性能与储能性能。
性能如表1所示。
实施例2：
制备成分为：
(0.95-x-y-z)Bi0.5Na0.5TiO3–xBi0.5K0.5TiO3–yBa0.65Sr0.35Ti-O3–zK0.5Na0.5NbO3–0.05LiTaO3，其中x=0.15，y=0.06，z=0.1的陶瓷材料。
制备方法同实施例1，不同的是烧结温度750°C。
性能如表1所示。
实施例3：
制备成分为：
(0.95-x-y-z)Bi0.5Na0.5TiO3–xBi0.5K0.5TiO3–yBa0.65Sr0.35Ti-O3–zK0.5Na0.5NbO3–0.05LiTaO3，其中x=0.25，y=0.002，z=0.08的陶瓷材料。
制备方法同实施例1，不同的是烧结温度800°C。
性能如表1所示。
实施例4：
制备成分为：
(0.95-x-y-z)Bi0.5Na0.5TiO3–xBi0.5K0.5TiO3–yBa0.65Sr0.35Ti-O3–zK0.5Na0.5NbO3–0
制备方法同实施例1，不同的是烧结温度900°C。
性能如表1所示。
实施例5：
制备成分为：
(0.95-x-y-z)Bi0.5Na0.5TiO3–xBi0.5K0.5TiO3–yBa0.65Sr0.35Ti-O3–zK0.5Na0.5NbO3–0.05LiTaO3，其中x=0.18，y=0.07，z=0. 1的陶瓷材料。
制备方法同实施例1，不同的是烧结温度860°C。
性能如表1所示。
实施例6：
制备成分为：
(0.95-x-y-z)Bi0.5Na0.5TiO3–xBi0.5K0.5TiO3–yBa0.65Sr0.35Ti-O3–zK0.5Na0.5NbO3–0.05LiTaO3，其中x=0.20，y=0.04，z=0. 18的陶瓷材料。
制备方法同实施例1。
性能如表1所示。
实施例7：
制备成分为：
(0.95-x-y-z)Bi0.5Na0.5TiO3–xBi0.5K0.5TiO3–yBa0.65Sr0.35Ti-O3–zK0.5Na0.5NbO3–0.05LiTaO3，其中x=0.06，y=0.12，z=0. 06的陶瓷材料。
制备方法同实施例1。
性能如表1所示。
实施例8：
制备成分为：
(0.95-x-y-z)Bi0.5Na0.5TiO3–xBi0.5K0.5TiO3–yBa0.65Sr0.35Ti-O3–zK0.5Na0.5NbO3–0.05LiTaO3，其中x=0.25，y=0.006，z=0. 005的陶瓷材料。
制备方法同实施例3。
性能如表1所示。
实施例9：
制备成分为：
(0.95-x-y-z)Bi0.5Na0.5TiO3–xBi0.5K0.5TiO3–yBa0.65Sr0.35Ti-O3–zK0.5Na0.5NbO3–0.05LiTaO3，其中x=0.12，y=0.03，z=0. 15的陶瓷材料。
制备方法同实施例2。
性能如表1所示。
表1 实施例样品的电性能
样品d33 (pm/V)w(J/cm3)η(%)实施例16821.7565实施例26271.5862实施例36031.6655实施例45861.2560实施例56051.1853实施例66721.3762实施例76761.3260实施例86181.4858实施例95931.5356
通过上面给出的实施例，可以进一步清楚的了解本发明的内容，但它们不是对本发明的限定。