本發(fā)明屬于電子陶瓷領(lǐng)域，具體涉及一種微波燒結(jié)制備0.5NBT-0.5BCTZ-xwt％MgO高儲能密度陶瓷材料及方法。

背景技術(shù)：

隨著脈沖功率技術(shù)的發(fā)展，對脈沖功率設(shè)備中儲能元件的儲能密度提出了更高的要求。與其它儲能裝置相比，電容器具有放電功率大、利用效率高、儲能密度上升空間大等優(yōu)點，正逐漸成為脈沖功率設(shè)備中的儲能元件而被廣泛應(yīng)用于電磁軌道炮武器、全電動軍艦、戰(zhàn)斗用車輛和混合動力汽車等國防及現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域。但現(xiàn)有的脈沖電容器存在許多不利因素，如儲能密度低、易發(fā)生爆炸、放電電流小、放電壽命短等，難以滿足新技術(shù)進一步發(fā)展的需求。因此，開發(fā)出具有高儲能密度的電介質(zhì)材料已成為提高電容器儲能特性的關(guān)鍵。陶瓷電容器具有使用溫度范圍寬、壽命長、性能可靠等優(yōu)點而被廣泛使用。其中鐵電陶瓷材料具有介電常數(shù)大，非線性效應(yīng)強等優(yōu)點，單位體積鐵電陶瓷材料的儲能密度J可由下式計算：

J＝∫EdP

其中P為極化強度，E為其擊穿強度。

鐵電陶瓷材料的儲能密度取決于擊穿強度的大小(E_b)，剩余極化強度(P_r)和最大極化強度(P_m)之間的差值以及電滯回線的閉合面積。研究發(fā)現(xiàn)MgO的擊穿強度高達1000kV/cm，將其添加到陶瓷中，可有效提高基體材料的擊穿強度，但MgO可與基體材料發(fā)生反應(yīng)，從而影響其他性能，如極化強度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，提供一種微波燒結(jié)制備0.5NBT-0.5BCTZ-xwt％MgO高儲能密度陶瓷材料及方法，抑制MgO與基體材料發(fā)生反應(yīng)，提高制得的陶瓷材料儲能密度。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明方法采用如下的技術(shù)方案：

包括以下步驟：

首先將BCTZ陶瓷粉體、NBT陶瓷粉體和氧化鎂粉體按照化學(xué)式0.5NBT-0.5BCTZ-xwt％MgO的化學(xué)計量比配料，混合均勻并經(jīng)造粒和成型后，采用微波燒結(jié)在900～1100℃下保溫4～20min燒結(jié)成瓷，得到高儲能密度陶瓷材料；其中，x取值范圍為3～7。

進一步地，所述的混合均勻是通過球磨實現(xiàn)的。

進一步地，所述的球磨是以去離子水作為球磨介質(zhì)。

進一步地，所述的球磨的時間為6～8h。

進一步地，混合均勻后在70℃～90℃下烘干，然后進行造粒。

進一步地，BCTZ的化學(xué)式為Ba_0.85Ca_0.15Zr_0.1Ti_0.9O₃，BCTZ陶瓷粉體通過以下步驟制得：按照BCTZ的化學(xué)計量比將碳酸鋇、碳酸鈣、二氧化鈦和氧化鋯混合均勻，然后在1250～1300℃下保溫2～4h合成BCTZ陶瓷粉體。

進一步地，NBT的化學(xué)式為Na_0.5Bi_0.5TiO₃，NBT陶瓷粉體通過以下步驟制得：按照NBT的化學(xué)計量比將將碳酸鈉、氧化鉍和二氧化鈦混合均勻，然后在800～850℃下保溫4～6h合成NBT陶瓷粉體。

進一步地，采用微波燒結(jié)在1000℃下保溫5～10min燒結(jié)成瓷。

本發(fā)明材料的技術(shù)方案是：其化學(xué)式為0.5NBT-0.5BCTZ-xwt％MgO，其中，x取值范圍為3～7。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：

本發(fā)明通過微波燒結(jié)制備0.5NBT-0.5BCTZ-xwt％MgO陶瓷，具有加熱速度快、均勻加熱等優(yōu)點，同時采用較低的燒結(jié)溫度和較短的燒結(jié)時間，可以有效抑制MgO與基體材料發(fā)生反應(yīng)，也可以優(yōu)化材料的微觀結(jié)構(gòu)，提高其致密度，從而有效提高材料的擊穿強度，制得高儲能密度陶瓷材料。在燒結(jié)過程中，由于燒結(jié)溫度低、燒結(jié)時間短，從而降低MgO在材料內(nèi)部的擴散速率，使得過量的MgO在晶界處積累，可以有效抑制晶粒生長，細化陶瓷材料的晶粒，使得陶瓷材料具有均勻的微觀形貌。快速燒結(jié)還可以抑制MgO與基體材料之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使得晶粒保持原有的高極化強度特性。其次MgO的擊穿強度高達1000kV/cm，MgO在晶界處聚集還可以有效降低陶瓷材料的介電損耗，大幅度提高其晶界電阻。因此，本發(fā)明采用微波燒結(jié)制備0.5NBT-0.5BCTZ-xwt％MgO陶瓷以提高其擊穿強度，保持其原有的高極化強度的特性，從而獲得具有高儲能密度的陶瓷材料。

本發(fā)明選取具有高極化強度的0.5NBT-0.5BCTZ弛豫鐵電體作為基體材料，向其中添加MgO以提高其擊穿強度，本發(fā)明采用微波燒結(jié)制備的0.5NBT-0.5BCTZ-xwt％MgO陶瓷材料的儲能密度高達1.37J/cm³。本發(fā)明的制備方法設(shè)備簡單、操作簡單、成本低、燒結(jié)溫度低、燒結(jié)時間短、可大規(guī)模生產(chǎn)，為大規(guī)模、低成本制備高儲能密度陶瓷材料提供了基礎(chǔ)。

【附圖說明】

圖1是樣品的XRD圖譜。

圖2是實施例1添加3wt％MgO的陶瓷材料的電滯回線圖。

圖3是實施例4添加5wt％MgO的陶瓷材料的電滯回線圖。

圖4是實施例7添加7wt％MgO的陶瓷材料的電滯回線圖。

【具體實施方式】

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步說明。

本發(fā)明微波燒結(jié)制備0.5NBT-0.5BCTZ-xwt％MgO高儲能密度陶瓷材料，化學(xué)式為0.5NBT-0.5BCTZ-xwt％MgO，其中，x取值范圍為3～7，是指MgO的添加量是0.5NBT-0.5BCTZ總質(zhì)量的3～7％。

實施例1

一種微波燒結(jié)制備0.5NBT-0.5BCTZ-xwt％MgO高儲能密度陶瓷材料的方法，按照化學(xué)式Ba_0.85Ca_0.15Zr_0.1Ti_0.9O₃(BCTZ)，將碳酸鋇、碳酸鈣、二氧化鈦和氧化鋯混合均勻后在1270℃下保溫2h合成BCTZ陶瓷粉體，按照化學(xué)式Na_0.5Bi_0.5TiO₃(NBT)，將碳酸鈉、氧化鉍和二氧化鈦混合均勻后在840℃下保溫4h合成NBT陶瓷粉體。將BCTZ陶瓷粉體，NBT陶瓷粉體和MgO按照化學(xué)式0.5NBT-0.5BCTZ-3wt％MgO配料，用去離子水作為球磨介質(zhì)球磨6h混合均勻，然后在80℃下烘干，經(jīng)造粒、成型后，采用微波燒結(jié)在1000℃下保溫5min燒結(jié)成瓷。

實施例2

一種微波燒結(jié)制備0.5NBT-0.5BCTZ-xwt％MgO高儲能密度陶瓷材料的方法，按照化學(xué)式Ba_0.85Ca_0.15Zr_0.1Ti_0.9O₃(BCTZ)，將碳酸鋇、碳酸鈣、二氧化鈦和氧化鋯混合均勻后在1250℃下保溫3h合成BCTZ陶瓷粉體，按照化學(xué)式Na_0.5Bi_0.5TiO₃(NBT)，將碳酸鈉、氧化鉍和二氧化鈦混合均勻后在850℃下保溫5h合成NBT陶瓷粉體。將BCTZ陶瓷粉體，NBT陶瓷粉體和MgO按照化學(xué)式0.5NBT-0.5BCTZ-3.5wt％MgO配料，用去離子水作為球磨介質(zhì)球磨7h混合均勻，然后在85℃下烘干，經(jīng)造粒、成型后，采用微波燒結(jié)在900℃下保溫7min燒結(jié)成瓷。

實施例3

一種微波燒結(jié)制備0.5NBT-0.5BCTZ-xwt％MgO高儲能密度陶瓷材料的方法，按照化學(xué)式Ba_0.85Ca_0.15Zr_0.1Ti_0.9O₃(BCTZ)，將碳酸鋇、碳酸鈣、二氧化鈦和氧化鋯混合均勻后在1260℃下保溫4h合成BCTZ陶瓷粉體，按照化學(xué)式Na_0.5Bi_0.5TiO₃(NBT)，將碳酸鈉、氧化鉍和二氧化鈦混合均勻后在830℃下保溫5.5h合成NBT陶瓷粉體。將BCTZ陶瓷粉體，NBT陶瓷粉體和MgO按照化學(xué)式0.5NBT-0.5BCTZ-4wt％MgO配料，用去離子水作為球磨介質(zhì)球磨8h混合均勻，然后在90℃下烘干，經(jīng)造粒、成型后，采用微波燒結(jié)在950℃下保溫10min燒結(jié)成瓷。

實施例4

一種微波燒結(jié)制備0.5NBT-0.5BCTZ-xwt％MgO高儲能密度陶瓷材料的方法，按照化學(xué)式Ba_0.85Ca_0.15Zr_0.1Ti_0.9O₃(BCTZ)，將碳酸鋇、碳酸鈣、二氧化鈦和氧化鋯混合均勻后在1280℃下保溫3.6h合成BCTZ陶瓷粉體，按照化學(xué)式Na_0.5Bi_0.5TiO₃(NBT)，將碳酸鈉、氧化鉍和二氧化鈦混合均勻后在820℃下保溫4.5h合成NBT陶瓷粉體。將BCTZ陶瓷粉體，NBT陶瓷粉體和MgO按照化學(xué)式0.5NBT-0.5BCTZ-5wt％MgO配料，用去離子水作為球磨介質(zhì)球磨7.5h混合均勻，然后在75℃下烘干，經(jīng)造粒、成型后，采用微波燒結(jié)在1100℃下保溫4min燒結(jié)成瓷。

實施例5

一種微波燒結(jié)制備0.5NBT-0.5BCTZ-xwt％MgO高儲能密度陶瓷材料的方法，按照化學(xué)式Ba_0.85Ca_0.15Zr_0.1Ti_0.9O₃(BCTZ)，將碳酸鋇、碳酸鈣、二氧化鈦和氧化鋯混合均勻后在1290℃下保溫2.8h合成BCTZ陶瓷粉體，按照化學(xué)式Na_0.5Bi_0.5TiO₃(NBT)，將碳酸鈉、氧化鉍和二氧化鈦混合均勻后在810℃下保溫6h合成NBT陶瓷粉體。將BCTZ陶瓷粉體，NBT陶瓷粉體和MgO按照化學(xué)式0.5NBT-0.5BCTZ-5.5wt％MgO配料，用去離子水作為球磨介質(zhì)球磨6.5h混合均勻，然后在70℃下烘干，經(jīng)造粒、成型后，采用微波燒結(jié)在1050℃下保溫12min燒結(jié)成瓷。

實施例6

一種微波燒結(jié)制備0.5NBT-0.5BCTZ-xwt％MgO高儲能密度陶瓷材料的方法，按照化學(xué)式Ba_0.85Ca_0.15Zr_0.1Ti_0.9O₃(BCTZ)，將碳酸鋇、碳酸鈣、二氧化鈦和氧化鋯混合均勻后在1300℃下保溫2.5h合成BCTZ陶瓷粉體，按照化學(xué)式Na_0.5Bi_0.5TiO₃(NBT)，將碳酸鈉、氧化鉍和二氧化鈦混合均勻后在800℃下保溫4.8h合成NBT陶瓷粉體。將BCTZ陶瓷粉體，NBT陶瓷粉體和MgO按照化學(xué)式0.5NBT-0.5BCTZ-6wt％MgO配料，用去離子水作為球磨介質(zhì)球磨6.2h混合均勻，然后在72℃下烘干，經(jīng)造粒、成型后，采用微波燒結(jié)在980℃下保溫14min燒結(jié)成瓷。

實施例7

一種微波燒結(jié)制備0.5NBT-0.5BCTZ-xwt％MgO高儲能密度陶瓷材料的方法，按照化學(xué)式Ba_0.85Ca_0.15Zr_0.1Ti_0.9O₃(BCTZ)，將碳酸鋇、碳酸鈣、二氧化鈦和氧化鋯混合均勻后在1295℃下保溫3.5h合成BCTZ陶瓷粉體，按照化學(xué)式Na_0.5Bi_0.5TiO₃(NBT)，將碳酸鈉、氧化鉍和二氧化鈦混合均勻后在805℃下保溫5.4h合成NBT陶瓷粉體。將BCTZ陶瓷粉體，NBT陶瓷粉體和MgO按照化學(xué)式0.5NBT-0.5BCTZ-7wt％MgO配料，用去離子水作為球磨介質(zhì)球磨7.4h混合均勻，然后在78℃下烘干，經(jīng)造粒、成型后，采用微波燒結(jié)在970℃下保溫16min燒結(jié)成瓷。

實施例8

一種微波燒結(jié)制備0.5NBT-0.5BCTZ-xwt％MgO高儲能密度陶瓷材料的方法，按照化學(xué)式Ba_0.85Ca_0.15Zr_0.1Ti_0.9O₃(BCTZ)，將碳酸鋇、碳酸鈣、二氧化鈦和氧化鋯混合均勻后在1285℃下保溫2.1h合成BCTZ陶瓷粉體，按照化學(xué)式Na_0.5Bi_0.5TiO₃(NBT)，將碳酸鈉、氧化鉍和二氧化鈦混合均勻后在815℃下保溫4.4h合成NBT陶瓷粉體。將BCTZ陶瓷粉體，NBT陶瓷粉體和MgO按照化學(xué)式0.5NBT-0.5BCTZ-6.5wt％MgO配料，用去離子水作為球磨介質(zhì)球磨6.8h混合均勻，然后在84℃下烘干，經(jīng)造粒、成型后，采用微波燒結(jié)在960℃下保溫20min燒結(jié)成瓷。

實施例9

一種微波燒結(jié)制備0.5NBT-0.5BCTZ-xwt％MgO高儲能密度陶瓷材料的方法，按照化學(xué)式Ba_0.85Ca_0.15Zr_0.1Ti_0.9O₃(BCTZ)，將碳酸鋇、碳酸鈣、二氧化鈦和氧化鋯混合均勻后在1275℃下保溫2.4h合成BCTZ陶瓷粉體，按照化學(xué)式Na_0.5Bi_0.5TiO₃(NBT)，將碳酸鈉、氧化鉍和二氧化鈦混合均勻后在835℃下保溫5.8h合成NBT陶瓷粉體。將BCTZ陶瓷粉體，NBT陶瓷粉體和MgO按照化學(xué)式0.5NBT-0.5BCTZ-4.5wt％MgO配料，用去離子水作為球磨介質(zhì)球磨7.6h混合均勻，然后在86℃下烘干，經(jīng)造粒、成型后，采用微波燒結(jié)在920℃下保溫18min燒結(jié)成瓷。

圖1為本發(fā)明制備樣品的XRD圖譜，從圖中可以看出所有樣品均為鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)，添加MgO的樣品的第二相只有MgO，說明MgO未與基體發(fā)生反應(yīng)。

參見圖2，為實施例1中制備的陶瓷樣品的電滯回線圖，從圖中可以看到該樣品的儲能密度可達1.16J/cm³，儲能效率可達63.05％。圖3為實施例4中制備的陶瓷樣品的電滯回線圖，從圖中可以看到該樣品的儲能密度可達1.37J/cm³，儲能效率可達61.43％。圖4為實施例7中制備的陶瓷樣品的電滯回線圖，從圖中可以看到該樣品的儲能密度可達1.29J/cm³，儲能效率可達60.45％。

本發(fā)明以碳酸鋇，碳酸鈣，碳酸鈉，氧化鉍，二氧化鈦，氧化鋯和氧化鎂為原料，分別合成NBT和BCTZ陶瓷粉體，采用微波燒結(jié)法，經(jīng)配料、球磨，干燥、造粒、成型、微波燒結(jié)等工藝制備0.5Na_0.5Bi_0.5TiO₃(NBT)-0.5Ba_0.85-Ca_0.15Zr_0.1Ti_0.9O₃(BCTZ)-xwt％MgO(x＝3-7)陶瓷材料。本發(fā)明的制備方法設(shè)備簡單、操作簡單、成本低、燒結(jié)溫度低、燒結(jié)時間短、可大規(guī)模生產(chǎn)，為大規(guī)模、低成本制備高儲能密度陶瓷材料提供了基礎(chǔ)。

本發(fā)明采用微波燒結(jié)法制備0.5NBT-0.5BCTZ-xwt％MgO陶瓷材料，以提高其擊穿強度，從而制得高儲能密度陶瓷材料。