一種具有高儲能密度和儲能效率的陶瓷材料及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及電介質儲能陶瓷材料技術領域，具體涉及一種具有高儲能密度和高儲 能效率的鈮酸鉀鈉基無鉛陶瓷材料及制備方法。
【背景技術】
[0002] 脈沖功率技術是20世紀30年代產生、60年代以來迅速發展的一門新興技術，是把 較小功率的能量以較長時間慢慢輸入到能儲存能量的設備中，將能量進行壓縮與轉換，然 后在極短的時間（最短可為納秒）以極高的功率密度向負載釋放的電物理技術。脈沖功率 技術已被用于研發新型高能量密度的武器裝備，如電磁/電熱炮、激光武器、高功率微波武 器、粒子束武器、電磁脈沖彈等武器裝備。作為脈沖功率技術設備主體部分的高功率脈沖電 源，為脈沖功率裝置的負載提供電磁能量，主要由初級能源、能量儲存系統、能量轉換和釋 放系統組成。目前，主要有機械能儲能、電容器儲能、電化學儲能三種方式用于脈沖功率技 術的能量儲存。相對于其它儲能器件，電容器儲能因為具有儲能密度高、能量釋放速度快、 可靠性高、安全性高、價格低廉以及較易實現輕量化和小型化等優點，因此成為目前高功率 脈沖電源中應用最廣的儲能器件之一。
[0003] 隨著科技的發展，各種高溫環境中的高功率脈沖裝置對儲能電容器的使用溫度范 圍提出了更高的要求。比如，汽車電子、石油鉆探、航空航天、國防軍工等極端領域。因此， 開發在盡可能高的溫度環境中穩定工作，并同時具有較高儲能密度的脈沖電容器，是世界 各國在高新技術領域都迫切需要解決的問題。
[0004] 目前，用于制備儲能電容器的固態高儲能密度介質材料的研究主要集中在聚合 物、陶瓷-聚合物復合材料以及陶瓷三大類。由于聚合物、陶瓷-聚合物復合材料的聚合物 基體在150°C容易發生熱分解或變形，因此，陶瓷介質材料成為制備耐高溫脈沖電容器的主 要候選材料。目前，無鉛儲能陶瓷材料主要集中在BaTi0 3、SrTi03、CaTi0#P (Bi a5NaQ.5)Ti03 等陶瓷材料上，但是，這些材料的儲能密度和儲能效率仍然較低，限制了這些材料的實際使 用。

【發明內容】

[0005] 為解決上述問題，本發明提供了一種具有高儲能密度和高儲能效率的鈮酸鉀鈉基 無鉛陶瓷材料及制備方法，通過添加Bi (Mg2/3Nb1/3) 03使（K yNa: y)他03陶瓷的晶粒減小，提高 了陶瓷的耐電擊穿強度，提高了儲能密度和儲能效率。
[0006] 為實現上述目的，本發明采取的技術方案為：
[0007] -種具有高儲能密度和儲能效率的陶瓷材料，其化學式為（1-x) (KyNa1 y) NbO3-XBi (Mg2/3Nb1/3)03,其中 0? 08 彡 X 彡 0? 5 ;0? 2 彡 y 彡 0? 8。
[0008] 為解決上述問題，本發明還提供了一種具有高儲能密度和儲能效率的陶瓷材料的 制備方法，包括如下步驟：
[0009] S1、將分析純的無水碳酸鉀，無水碳酸鈉，五氧化二銀，氧化鎂和三氧化二 鉍在 120-150 cC 烘干處理 5 小時后，按化學通式（1-x) (KyNa1 y) NbO3-XBi (Mg2/3Nb1/3) O3(0. 08彡x彡0. 5 ;0. 2彡y彡0. 8)中的化學計量比稱取上述各原料后混合，得混合物；
[0010] S2、將步驟Sl所得的混合物在乙醇中以Zr02球為媒質行星球磨24-48小時，烘 干贅得干粉；
[0011] S3、將步驟S2所得的干粉在850-950°C空氣中預燒2-10小時后，研磨過篩，得粉料 A；
[0012] S4、將步驟S3所得的粉料A在850-950°C空氣中預燒2-10小時，研磨過篩，得粉料 B ；
[0013] S5、將步驟S4所得的粉料B在乙醇中行星球磨24-48小時，烘干后，粉體質量的 5%加入聚乙烯醇造粒；
[0014] S6、將造粒后的粉料在100_300MPa的壓力下干壓成型，得成形素坯；
[0015] S7、將步驟S6所得的成形素坯置于中溫爐中以1-3°C /min的升溫速率升溫至在 500-650 °C，保溫2-5小時后，隨爐自然冷卻；
[0016] S8、將步驟S7所得的成形素坯以1-5°C /min的升溫速率升溫至1100-1170°C，保 溫2-10小時后，隨爐自然冷卻，得到致密陶瓷片；
[0017] S9、將步驟S8所得的陶瓷片精修至0.2-0. 3厚，雙面用絲網刷上銀漿后，在 700-850 °C條件下燒滲銀電極，得成品。
[0018] 本發明具有以下有益效果：
[0019] 與現有儲能陶瓷材料相比，該陶瓷材料具有高的儲能密度和高的儲能效率，制備 工藝簡單，制備成本低的優點，具有強的實用性。
【附圖說明】
[0020] 圖1為本發明實施例中0. 90 (Ka5Naa5) NbO3-O. IOBi (Mg2/3Nb1/3) 03陶瓷在室溫下的 X射線衍射圖譜。
[0021] 圖2為本發明實施例中0. 90(KQ.5NaQ.5)Nb03-0.1 OBi (1%2/3他1/3)03陶瓷的電滯回線。
[0022] 圖3為本發明實施例中0. 90(Ka5NaQ.5)Nb03_0.1 OBi (1%2/3他1/3)03陶瓷的掃描電鏡 照片。
【具體實施方式】
[0023] 為了使本發明的目的及優點更加清楚明白，以下結合實施例對本發明進行進一步 詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發 明。
[0024] 實施例1
[0025] S11、將分析純的無水碳酸鉀，無水碳酸鈉，五氧化二銀，氧化鎂和三氧化二祕在 120-150°C烘干 5 小時后，按按化學式 0. 92(Ka2Naas)Nb03-0 . 08Bi (Mg2/3Nb1/3)03中的化學計 量比稱取上述各原料后混合，得混合物；
[0026] S12、將步驟Sll所得的混合物置于乙醇中以ZrO2球為媒質行星球磨24小時，烘 干贅得干粉；
[0027] S13、將所得干粉在850°C空氣中預燒2小時，研磨過篩后得到粉料A;
[0028] S14、將所得粉料A在850°C空氣中再次預燒2小時，再次研磨過篩后得到粉料B;
[0029] S15、將所得的粉料B在乙醇中行星球磨24小時，烘干粉料后，粉體質量的5 %加入 聚乙烯醇造粒；
[0030] S16、將造粒后的粉料在200MPa的壓力下干壓成型，得成形素坯；
[0031] S17、將所得的成形素坯置于中溫爐中以rc /min的升溫速率升溫至在500°C，保 溫2小時后，隨爐自然冷卻；
[0032] S18、將步驟S17所得的成形素坯是以rc /min的升溫速率升溫至1KKTC，保溫2 小時后隨爐自然冷卻，得到致密陶瓷片；
[0033] S19、將所得的陶瓷片精修至0. 2厚，雙面用絲網刷上銀漿后在700°C條件下燒滲 銀電極。
[0034] 采用X-射線衍射分析儀（XRD)來確定預燒粉體和陶瓷樣品的晶體結構和相結構， 用掃描電子顯微鏡（SEM)觀察陶瓷樣品的顯微結構演變。陶瓷燒結體的體積密度利用阿基 米德原理測量。用安捷倫E4980A精密LCR測試儀測試介電性能。采用鐵電分析儀TF-2000， 測試陶瓷及玻璃陶瓷樣品的電滯回線。高壓測試時，將樣品放在硅油中，防止表面放電。
[0035]性能：
[0036]
[0037] 實施例2
[0038] S21、將分析純的無水碳酸鉀，無水碳酸鈉，五氧化二銀，氧化鎂和三氧化二祕在 120-150°C烘干 5 小時后，按按化學式 0. 92(Ka2Naas)Nb03-0 . 08Bi (Mg2/3Nb1/3)03中的化學計 量比稱取上述各原料后混合，得混合物；
[0039] S22、將步驟S21所得的混合物置于乙醇中以ZrO2球為媒質行星球磨24小時，烘 干贅得干粉；
[0040] S23、將所得干粉在900°C空氣中預燒2小時，研磨過篩后得到粉料A;
[0041] S24、將所得粉料A在850°C空氣中再次預燒2小時，再次研磨過篩后得到粉料B;
[0042] S25、將所得的粉料B在乙醇中行星球磨24小時，烘干粉料后，粉體質量的5%加入 聚乙烯醇造粒；
[0043] S26、將造粒后的粉料在300MPa的壓力下干壓成型，得成形素坯；
[0044] S27、將所得的成形素坯置于中溫爐中以2°C /min的升溫速率升溫至在500°C，保 溫2小時后，隨爐自然冷卻；
[0045] S28、將步驟S27所得的成形素坯是以2°C /min的升溫速率升溫至1KKTC，保溫2 小時后隨爐自然冷卻，得到致密陶瓷片；
[0046] S29、將所得的陶瓷片精修至0.3厚，雙面用絲網刷上銀漿后在750°C條件下燒滲 銀電極。
[0047] 測試方法同實施例1
[0048] 性能
[0049]
[0050] 實施例3
[0051] S31、將分析純的無水碳酸鉀，無水碳酸鈉，五氧化二銀，氧化鎂和三氧化二祕在 120-150°C 烘干 5 小時后，按按化學式 0. 90 (Ka 4Naa 6) NbO3-O. IOBi (Mg2/3Nb1/3) O3中的化學計 量比稱取上述各原料后混合，得混合物；
[0052] S32、將步驟S31所得的混合物置于乙醇中以ZrO2球為媒質行星球磨24小時，烘 干贅得干粉；
[0053] S33、將所得干粉在950°C空氣中預燒2小時，研磨過篩后得到粉料A;
[0054] S34、將所得粉料A在950°C空氣中再次預燒2小時，再次研磨過篩后得到粉料B ;
[0055] S35、將所得的粉料B在乙醇中行星球磨24小時，烘干粉料后，粉體質量的5%加入 聚乙烯醇造粒；
[0056] S36、將造粒后的粉料在300MPa的壓力下干壓成型，得成形素坯；
[0057] S37、將所得的成形素坯置于中溫爐中以1°C /min的升溫速率升溫至在500°C，保 溫2小時后，隨爐自然冷卻；
[0058] S38、將步驟S37所得的成形素坯是以3°C /min的升溫速率升溫至1KKTC，保溫2 小時后隨爐自然冷卻，得到致密陶瓷片；
[0059] S39、將所得的陶瓷片精修至0.3厚，雙面用絲網刷上銀漿后在750°C條件下燒滲 銀電極。
[0060] 測試方法同實施例1
[0061] 性能
[0062]
[0063] 實施例4
[0064] S41、將分析純的無水碳酸鉀，無水碳酸鈉，五氧化二銀，氧化鎂和三氧化二祕