一种层状高储能密度和高储能效率陶瓷介质及其制备方法

1.本发明属于储能陶瓷介质技术领域，具体涉及一种层状高储能密度和高储能效率陶瓷介质及其制备方法。


背景技术：

2.随着煤炭、石油等不可再生能源需求量的日益增加，亟需开发清洁的可再生能源以及高效的能量存储和转换技术。电池、电化学电容器和电介质电容器是当前主要的几类电能存储装置，相比之下，电介质电容器具有功率密度高、充放电速度快、安全可靠等特点，在激光武器、电磁发射器、混合动力电动车等设备的脉冲系统中扮演着重要的角色。根据电介质电容器所用介质材料的类型和厚度不同可以大致分为薄膜电介质电容器、聚合物基厚膜电介质电容器和块体陶瓷电介质电容器。虽然聚合物和薄膜电介质因其较薄的厚度而能够承受较高的电场强度，但是较薄的厚度限制了总能量密度的提升。陶瓷电介质则容易制备成多层陶瓷电容器，并且制备技术较为成熟，使得储能陶瓷电容器近年来受到广泛关注。
3.一般而言，陶瓷电介质的能量存储性能可以通过测得的电滞回线进行计算，电滞回线包围的面积表示为能量损耗密度(w
loss
)，而可释放的储能密度(w
rec
)和能量存储效率(η)利用以下公式进行计算：
[0004][0005]
η＝w
rec
/(w
rec
+w
loss
)
×
100％
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0006]
式中，p
max
、pr、p和e分别表示最大极化强度、剩余极化强度、极化强度和电场强度。基于以上公式可知，大的p
max
、小的pr和高的耐压强度是获得高能量存储性能的关键。在众多的陶瓷体系中，反铁电材料因其独特的双电滞回线特征而表现出较大的p
max
、可以忽略不计的pr以及适中的耐压强度，容易获得较高的能量存储性能。然而大多数高性能反铁电陶瓷存在重金属pb元素，不利于环境保护和人体健康安全。截止目前，无铅陶瓷介质由于最大极化强度、剩余极化强度和耐压强度难以得到同步改善，导致能量存储性能与铅基反铁电陶瓷材料存在较大的差异，迫切需要大幅度提升无铅陶瓷介质的储能密度和储能效率。
[0007]
目前所报道的无铅储能陶瓷介质的制备方法主要为传统造粒和单向加压成型工艺，该方法制备的陶瓷材料通常较厚(》500μm)，需要打磨至100-200μm之后进行电学性能测试和能量存储性能计算，必然会增加制备成本和制备周期；并且难以直接获得厚度小于100μm的高质量薄层陶瓷样品。尽管流延成型工艺易于制备出高质量薄层陶瓷介质，但是由于烧结匹配性等因素导致层状储能陶瓷的研究极其缓慢，并且主要集中于相近组成材料的层状结构设计，导致无铅储能陶瓷的储能密度和储能效率始终难以得到大幅度提升。


技术实现要素：

[0008]
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种层状高储能密度和高储能效率陶瓷介质及其制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
[0009]
本发明第一方面提供了一种层状高储能密度和高储能效率陶瓷介质，所述层状高储能密度和高储能效率陶瓷介质是由第一介质层和第二介质层交替层叠而成的层状结构，所述第一介质层为高极化强度介质层，所述高极化强度介质层的材料包括(1-x-y)bifeo
3-xbatio
3-yba(zn
1/2
ta
2/3
)o3和bi
0.39
na
0.36
sr
0.25
tio3，其中x＝0.30-0.40,y＝0.05-0.15；所述第二介质层为高耐压强度和高储能效率介质层，所述高耐压强度和高储能效率介质层的材料包括(1-z)srtio
3-zbifeo3和babi2nb2o9，其中z＝0.25-0.35；所述层状结构的厚度最小为25μm。
[0010]
本发明第二方面提供了一种层状高储能密度和高储能效率陶瓷介质的制备方法，包括步骤：
[0011]
按照第一材料和第二材料的化学式分别称取对应的氧化物或碳酸盐，得到第一原料和第二原料，其中，所述第一材料具有高极化强度，所述第二材料具有高耐压强度和高储能效率；
[0012]
将所述第一原料和第二原料分别进行第一次球磨，球磨时间4-24h；并在80-100℃下进行烘干处理；
[0013]
将第一次球磨烘干后的原料分别在800-900℃下煅烧2-4h，得到预合成的物相组成；
[0014]
将所述预合成的物相组成分别进行第二次球磨，球磨时间4-24h；
[0015]
将第二次球磨后的原料分别在80-100℃下进行烘干并过筛，得到陶瓷粉体；
[0016]
先将第一类有机溶液进行混合4～6h，再向所述第一类有机溶液中加入第二类有机溶液、粘结剂和所述陶瓷粉体再次混合4～6h，得到用于流延成型的第一陶瓷浆料和第二陶瓷浆料；
[0017]
将所述第一陶瓷浆料和所述第二陶瓷浆料分别通过流延成型工艺制备得到高极化强度膜、高耐压强度和高储能效率膜；其中，所述流延成型工艺中刮刀的高度为80-200μm；
[0018]
将所述高极化强度膜、所述高耐压强度和高储能效率膜经裁剪、叠层、压制等工艺得到不同层状结构的陶瓷生坯；
[0019]
将所述陶瓷生坯在550-600℃下进行排胶处理，其中保温时间为8-10h，紧接着将排胶后的陶瓷坯体在密闭条件下进行烧结，最后得到所述层状高储能密度和高储能效率陶瓷介质。
[0020]
优选地，所述第一原料包括(1-x-y)bifeo
3-xbatio
3-yba(zn
1/2
ta
2/3
)o3和bi
0.39
na
0.36
sr
0.25
tio3，其中x＝0.30-0.40,y＝0.05-0.15，所述第二原料包括(1-z)srtio
3-zbifeo3和babi2nb2o9，其中z＝0.25-0.35。
[0021]
优选地，所述(1-x-y)bifeo
3-xbatio
3-yba(zn
1/2
ta
2/3
)o3对应的氧化物或碳酸盐包括bi2o3、fe2o3、baco3、tio2、zno和ta2o5；所述bi
0.39
na
0.36
sr
0.25
tio3对应的氧化物或碳酸盐包括bi2o3、na2co3、srco3和tio2；所述(1-z)srtio
3-zbifeo3对应的氧化物或碳酸盐包括srco3、tio2、bi2o3和fe2o3；所述babi2nb2o9对应的氧化物或碳酸盐包括baco3、bi2o3和nb2o5。
[0022]
优选地，所述第一类有机溶液为无水乙醇、丁酮和三油酸甘油脂的混合溶液，且无水乙醇、丁酮和三油酸甘油脂的质量比为：40～60:80～120:3～6。
[0023]
优选地，所述第一类有机溶液中丁酮的加入量为陶瓷粉体质量的80％-100％。
[0024]
优选地，所述第二类有机溶液为邻苯二甲酸二丁酯、聚乙二醇的混合溶液，且邻苯二甲酸二丁酯和聚乙二醇的质量比为1:1。
[0025]
优选地，所述第二类有机溶液中邻苯二甲酸二丁酯和聚乙二醇的加入量均为陶瓷粉体质量的2％-5％。
[0026]
优选地，所述粘结剂的加入量为陶瓷粉体质量的8％-15％。
[0027]
优选地，所述第一类有机溶液混合采用球磨工艺，球磨介质包括氧化锆球，其中氧化锆球的加入量为陶瓷粉体质量的1.5-2.5倍。
[0028]
与现有技术相比，本发明的有益效果：
[0029]
本发明的层状高储能密度和高储能效率陶瓷介质及其制备方法，由不同材料的高极化强度介质层、高耐压强度和高储能效率介质层交替层叠而成的陶瓷介质，能够兼具两种不同材料优异的性能于一体，不仅提升了无铅陶瓷的储能密度，还可以促进储能效率得到大幅度提升，进而获得优异的综合性能。同时，采用本发明的制备方法，可以有效改善异质陶瓷烧结匹配性问题，并能够克服现有无铅储能陶瓷介质的储能密度和储能效率难以得到协同增强的问题，得到高储能密度和高储能效率的陶瓷介质。
附图说明
[0030]
图1是本发明提供的一种层状高储能密度和高储能效率陶瓷介质的结构示意图；
[0031]
图2是本发明提供的另一种层状高储能密度和高储能效率陶瓷介质的结构示意图；
[0032]
图3是本发明提供的又一种层状高储能密度和高储能效率陶瓷介质的结构示意图；
[0033]
图4是本发明实施例一制备的层状高储能密度和高储能效率陶瓷介质的结构示意图；
[0034]
图5是本发明实施例一制备的层状高储能密度和高储能效率陶瓷介质的电滞回线测试结果图；
[0035]
图6是本发明实施例二制备的层状高储能密度和高储能效率陶瓷介质的结构示意图；
[0036]
图7是本发明实施例二制备的层状高储能密度和高储能效率陶瓷介质的电滞回线测试结果图。
具体实施方式
[0037]
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0038]
目前提升无铅陶瓷介质的能量存储性能的方法主要集中于元素掺杂、晶粒尺寸和畴结构调控、构建核壳结构等方面。尽管近年来逐渐关注到层状结构可以提升无铅陶瓷电介质的能量存储性能，但是由于烧结匹配性等因素导致相关研究较为缓慢，并且普遍采用的不同介质层的基体材料为同种组成，例如西安交通大学yuan等人采用化学包覆法得到具有核壳结构的batio3@sio2粉体，然后设计并制备出由batio3和batio3@sio2介质层构成的层状陶瓷材料，获得了1.80j/cm3的可释放能量密度以及71.5％的储能效率。华中科技大学li
等人采用高极化强度的0.65bi
0.5
na
0.5
tio
3-0.35srtio3和高储能效率的0.45bi
0.5
na
0.5
tio
3-0.55sr
0.7
bi
0.2
tio3介质材料进行层状结构设计，研究了界面的数量对层状陶瓷击穿行为和极化特性的影响，最终获得了4.48j/cm3的有效储能密度和90％左右的储能效率。这些研究虽然在一定程度上提升了无铅陶瓷介质的储能密度和储能效率，但所采用的两层介质材料的基体材料是相同的，无法实现材料组成差异较大的陶瓷介质优异性能的互补，依然难以同时使储能密度和储能效率得到大幅度提升。
[0039]
基于此，本发明提出了一种层状高储能密度和高储能效率陶瓷介质及其制备方法，更好的克服现有无铅储能陶瓷介质的储能密度和储能效率难以得到协同增强，层状异质陶瓷烧结匹配性差等不足，进而提升高储能特性无铅陶瓷介质的研制效率。
[0040]
本发明第一方面公开了一种层状高储能密度和高储能效率陶瓷介质，请参见图1，图1是本发明的层状高储能密度和高储能效率陶瓷介质，该陶瓷介质由第一介质层1和第二介质层2交替层叠而成的层状结构，第一介质层1为高极化强度介质层，高极化强度介质层的材料包括(1-x-y)bifeo
3-xbatio
3-yba(zn
1/2
ta
2/3
)o3和bi
0.39
na
0.36
sr
0.25
tio3，其中x＝0.30-0.40,y＝0.05-0.15；第二介质层2为高耐压强度和高储能效率介质层，高耐压强度和高储能效率介质层的材料包括(1-z)srtio
3-zbifeo3和babi2nb2o9，其中z＝0.25-0.35；层状结构的厚度最小为25μm。
[0041]
也即，本发明的层状高储能密度和高储能效率陶瓷介质，其层状结构可以是任一种高极化强度介质层和任一种高耐压强度和高储能效率介质层的组合，比如可以是(1-x-y)bifeo
3-xbatio
3-yba(zn
1/2
ta
2/3
)o3和(1-z)srtio
3-zbifeo3，可以是bi
0.39
na
0.36
sr
0.25
tio3和babi2nb2o9，也可以是(1-x-y)bifeo
3-xbatio
3-yba(zn
1/2
ta
2/3
)o3和babi2nb2o9，也可以是bi
0.39
na
0.36
sr
0.25
tio3和(1-z)srtio
3-zbifeo3。该层状结构的厚度最小可以达到25μm，最大厚度不做限定，可根据实际使用需求选择不同的叠层厚度。
[0042]
此外，需要说明的是，本发明的陶瓷介质的层状结构不局限于一层第一介质层和一层第二介质层构成的单层层叠的层状结构，可以是第一介质层和第二介质层的任意层叠组合，比如可以是两层第一介质层和一层第二介质层层叠构成的层状结构，可以是一层第一介质层和两层第二介质层层叠构成的层状结构，还可以是两层第一介质层和三层第二介质层层叠构成的层状结构，等等。如图2和图3所示。可以根据实际使用需求选择不同的排布方式。
[0043]
本发明的层状高储能密度和高储能效率陶瓷介质，由不同材料的高极化强度介质层、高耐压强度和高储能效率介质层交替层叠而成，能够兼具两种不同材料优异的性能于一体，不仅提升了无铅陶瓷的储能密度，还可以促进储能效率得到大幅度提升，进而获得优异的综合性能。此外，本发明的陶瓷介质的厚度最小可以达到25μm，远低于传统造粒和压制成型陶瓷介质的厚度，可直接进行电学性能测试和能量存储性能计算，无需打磨，节省了制备成本和制备周期。
[0044]
本发明第二方面提供了一种层状高储能密度和高储能效率陶瓷介质的制备方法，包括以下步骤：
[0045]
s1、按照第一材料和第二材料的化学式分别称取对应的氧化物或碳酸盐，得到第一原料和第二原料，其中，第一材料具有高极化强度，第二材料具有高耐压强度和高储能效率。
15％。
[0063]
需要说明的是，第一类有机溶液混合可以采用球磨和磁力搅拌工艺，优选采用球磨工艺，球磨介质包括氧化锆球，其中氧化锆球的加入量为陶瓷粉体质量的1.5-2.5倍。
[0064]
本步骤中按照以上各比例获得的流延浆料具有非常好的流动性，并且无需进行真空除泡(去除浆料的气泡)工艺就可以获得高质量的薄层流延膜。
[0065]
s7、将第一陶瓷浆料和第二陶瓷浆料分别通过流延成型工艺制备得到高极化强度膜、高耐压强度和高储能效率膜；其中，流延成型工艺中刮刀的高度为80-200μm。
[0066]
将制备得到的高极化强度膜、高耐压强度和高储能效率膜在室温下置于干净、干燥的环境下使易挥发有机物充分挥发。
[0067]
s8、将高极化强度膜、高耐压强度和高储能效率膜经裁剪、叠层、压制等工艺得到不同层状结构的陶瓷生坯。
[0068]
本步骤中的压制过程优选为：
[0069]
在30-60℃下依次采用50mpa、100mpa、150mpa、200mpa、250mpa的压力进行加压，每个压力下的保压时间为8-10分钟。该压制方法可以尽量排除膜之间的气孔，提高膜的质量。
[0070]
s9、将陶瓷生坯在550-600℃下进行排胶处理，其中保温时间为8-10h，紧接着将排胶后的陶瓷坯体在密闭条件下进行烧结，最后得到层状高储能密度和高储能效率陶瓷介质。
[0071]
为了进一步提高陶瓷介质的质量，本步骤中的烧结过程优选为：
[0072]
以3-5℃/分钟的升温速率从室温升至1060-1200℃，然后以15-20℃/分钟的降温速率降至960-1080℃并保温2-4h，随后自然随炉冷却到室温。
[0073]
下面结合具体的实施例对本发明的层状高储能密度和高储能效率陶瓷介质及其制备方法进行具体说明。
[0074]
实施例一
[0075]
本实施例的层状高储能密度和高储能效率陶瓷介质，高极化强度介质层的材料为0.60bifeo
3-0.34batio
3-0.06ba(zn
1/2
ta
2/3
)o3；高耐压强度和高储能效率介质层的材料为babi2nb2o9。层状结构陶瓷介质的截面示意图如图1所示。
[0076]
本实施例的层状高储能密度和高储能效率陶瓷介质的制备方法包括以下步骤：
[0077]
(1)选取纯度大于98％的bi2o3、fe2o3、baco3、tio2、zno、nb2o5和ta2o5作为层状高储能密度和高储能效率陶瓷介质的原料，并分别按照化学式0.60bifeo
3-0.34batio
3-0.06ba(zn
1/2
ta
2/3
)o3和babi2nb2o9分别称取上述对应的原料共计80克；
[0078]
(2)将称取的原料通过球磨工艺(第一次球磨)使之混合均匀，在80℃下进行烘干处理后得到初始原料粉体，其中采用的球磨介质为氧化锆球和无水乙醇，氧化锆球和无水乙醇的加入量分别为150克和100毫升，球磨时间4h；
[0079]
(3)将上述原料粉体置于氧化锆材质的坩埚内煅烧2h，得到预合成的物相组成，其中0.60bifeo
3-0.34batio
3-0.06ba(zn
1/2
ta
2/3
)o3和babi2nb2o9的煅烧温度均为800℃，升温速率为5℃/分钟；
[0080]
(4)称取上述煅烧后的原料50克，向0.60bifeo
3-0.34batio
3-0.06ba(zn
1/2
ta
2/3
)o3中加入0.2wt％mno2(纯度≥99％)，再次置于球磨罐内进行第二次球磨，使预合成的原料粉体颗粒尽可能细小，便于后期获得高质量的流延成型浆料和陶瓷膜，其中采用的球磨介质
为氧化锆球和无水乙醇，氧化锆球和无水乙醇的加入量分别为100克和60毫升，球磨时间24h；
[0081]
(5)将上述第二次球磨后的原料在80℃下进行烘干并过120目筛，得到0.60bifeo
3-0.34batio
3-0.06ba(zn
1/2
ta
2/3
)o3和babi2nb2o9陶瓷粉体；
[0082]
(6)称取40克氧化锆球、9克无水乙醇、20克丁酮、0.8克三油酸甘油酯并置于容积为150毫升球磨罐内以300转/分钟的转速球磨4h，紧接着称取并加入0.7克邻苯二甲酸二丁酯、0.7克聚乙二醇、1.8克聚乙烯醇缩丁醛以及20克0.60bifeo
3-0.34batio
3-0.06ba(zn
1/2
ta
2/3
)o3或20克babi2nb2o9陶瓷粉体，再次以300转/分钟的转速球磨4h，得到用于流延成型的陶瓷浆料；
[0083]
(7)将上述得到的陶瓷浆料通过流延成型工艺分别制备出具有高极化强度的0.60bifeo
3-0.34batio
3-0.06ba(zn
1/2
ta
2/3
)o3陶瓷膜以及具有高耐压强度和高储能效率的babi2nb2o9陶瓷膜，在室温下置于干净、干燥的环境下放置2天，其中流延成型过程中刮刀的高度为80μm；
[0084]
(8)将上述得到的陶瓷膜经裁剪、叠层、压制等工艺得到不同层状结构的陶瓷生坯，其中压制过程是在40℃下依次采用50mpa、100mpa、150mpa、200mpa、250mpa的压力进行加压，每个压力下的保压时间为8分钟，叠层过程如图4所示；
[0085]
(9)将获得的陶瓷坯体在550℃下进行排胶处理，其中保温时间为10h，紧接着将排胶后的陶瓷坯体在密闭条件下进行烧结，最后得到具有高储能密度和高储能效率的层状结构无铅陶瓷样品，其中烧结过程为以5℃/分钟的升温速率从室温升至1060℃，然后以15℃/分钟的降温速率降至960℃并保温2h，随后自然随炉冷却到室温，即得到本实施例的层状高储能密度和高储能效率陶瓷介质。
[0086]
采用铁电分析仪对本实施例制备的层状高储能密度和高储能效率陶瓷介质在不同电场强度下的电滞回线进行测试，如图5所示。基于公式(1)和(2)计算得到的本实施例的层状结构陶瓷在230kv/cm电场强度下的有效储能密度为0.6j/cm3，储能效率为86％。
[0087]
实施例二
[0088]
本实施例的层状高储能密度和高储能效率陶瓷介质，高极化强度介质层的材料为bi
0.39
na
0.36
sr
0.25
tio3；高耐压强度和高储能效率介质层的材料为0.65srtio
3-0.35bifeo3。
[0089]
本实施例的层状高储能密度和高储能效率陶瓷介质的制备方法包括以下步骤：
[0090]
(1)选取纯度大于98％的bi2o3、fe2o3、srco3、na2co3和tio2作为本实施例层状高储能密度和高储能效率陶瓷介质的原料，并分别按照化学式bi
0.39
na
0.36
sr
0.25
tio3和0.65srtio
3-0.35bifeo3称取上述对应的原料共计80克；
[0091]
(2)将称取的原料通过球磨工艺(第一次球磨)使之混合均匀，在100℃下进行烘干处理后得到初始原料粉体，其中采用的球磨介质为氧化锆球和无水乙醇，氧化锆球和无水乙醇的加入量分别为150克和100毫升，球磨时间为24h；
[0092]
(3)将上述原料粉体置于氧化铝材质的坩埚内煅烧4h，得到预合成的物相组成，其中bi
0.39
na
0.36
sr
0.25
tio3和0.65srtio
3-0.35bifeo3的煅烧温度分别为850℃和900℃，升温速率为3℃/min；
[0093]
(4)称取上述煅烧后的原料50克，向0.65srtio
3-0.35bifeo3中加入0.1wt％mnco3(纯度≥99％)，再次置于球磨罐内进行第二次球磨，使预合成的原料粉体颗粒尽可能细小，
便于后期获得高质量的流延成型浆料和陶瓷膜，其中采用的球磨介质为氧化锆球和无水乙醇，氧化锆球和无水乙醇的加入量分别为100克和60毫升，球磨时间24h；
[0094]
(5)将上述第二次球磨后的原料在100℃下进行烘干并过120目筛，得到bi
0.39
na
0.36
sr
0.25
tio3和0.65srtio
3-0.35bifeo3陶瓷粉体；
[0095]
(6)称取40克氧化锆球、9克无水乙醇、20克丁酮、0.8克三油酸甘油酯并置于容积为150毫升球磨罐内以500转/分钟的转速球磨6h，紧接着称取并加入0.8克邻苯二甲酸二丁酯、0.8克聚乙二醇、1.8克聚乙烯醇缩丁醛以及20克bi
0.39
na
0.36
sr
0.25
tio3或20克0.65srtio
3-0.35bifeo3陶瓷粉体，再次以500转/分钟的转速球磨6h，得到用于流延成型的陶瓷浆料；
[0096]
(7)将上述得到的陶瓷浆料通过流延成型工艺分别制备出具有高极化强度的bi
039
na
036
sr
025
tio3陶瓷膜以及具有高耐压强度和高储能效率的0.65srtio
3-0.35bifeo3陶瓷膜，在室温下置于干净、干燥的环境下放置2天，其中刮刀高度越高，流延成型得到的陶瓷膜的厚度越厚。为了在保障均匀性的情况下获得较薄的陶瓷膜和陶瓷介质，本实施例流延成型过程中刮刀的高度为120μm，干燥后的陶瓷膜的厚度大约为10μm；
[0097]
(8)将上述得到的陶瓷膜经裁剪、叠层、压制等工艺得到图6所示的层状结构陶瓷生坯，其中压制过程是在45℃下依次采用50mpa、100mpa、150mpa、200mpa、250mpa的压力进行加压，每个压力下的保压时间为10分钟；
[0098]
(9)将获得的陶瓷坯体在600℃下进行排胶处理，其中保温时间为8h，紧接着将排胶后的陶瓷坯体在密闭条件下通过埋烧的方式进行烧结，最后得到具有高储能密度和高储能效率的层状结构无铅陶瓷样品，其中烧结过程为以3℃/分钟的升温速率从室温升至1220℃，然后以20℃/分钟的降温速率降至1080℃并保温3h，随后自然随炉冷却到室温。
[0099]
由于本实施例流延成型得到的陶瓷膜厚度较薄，经过叠层和烧结等工艺制备得到的层状陶瓷介质的总厚度仅有25μm，无需减薄就可以镀电极进行电学性能测试。采用铁电分析仪对制备的层状陶瓷的电滞回线进行测试，如图7所示。基于公式(1)和(2)计算得到的本实施例的层状结构陶瓷在710kv/cm电场强度下的有效储能密度为9.05j/cm3，相应的储能效率可以达到95％以上，同时实现了较高的储能密度和储能效率。
[0100]
本发明的层状高储能密度和高储能效率陶瓷介质及其制备方法，由高极化强度介质层、高耐压强度和高储能效率介质层交替层叠而成的陶瓷介质，能够兼具两种不同材料优异的性能于一体，不仅提升了无铅陶瓷的储能密度，还可以促进储能效率得到大幅度提升，进而获得优异的综合性能。同时，采用本发明的制备方法，可以有效改善层状异质陶瓷烧结匹配性问题，并能够克服现有无铅储能陶瓷介质的储能密度和储能效率难以得到协同增强的问题，得到高储能密度和高储能效率的陶瓷介质。
[0101]
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种层状高储能密度和高储能效率陶瓷介质，其特征在于，所述层状高储能密度和高储能效率陶瓷介质是由第一介质层和第二介质层交替层叠而成的层状结构，所述第一介质层为高极化强度介质层，所述高极化强度介质层的材料包括(1-x-y)bifeo
3-xbatio
3-yba(zn
1/2
ta
2/3
)o3和bi
0.39
na
0.36
sr
0.25
tio3，其中x＝0.30-0.40,y＝0.05-0.15；所述第二介质层为高耐压强度和高储能效率介质层，所述高耐压强度和高储能效率介质层的材料包括(1-z)srtio
3-zbifeo3和babi2nb2o9，其中z＝0.25-0.35；所述层状结构的厚度最小为25μm。2.一种层状高储能密度和高储能效率陶瓷介质的制备方法，其特征在于，包括步骤：按照第一材料和第二材料的化学式分别称取对应的氧化物或碳酸盐，得到第一原料和第二原料，其中，所述第一材料具有高极化强度，所述第二材料具有高耐压强度和高储能效率；将所述第一原料和第二原料分别进行第一次球磨，球磨时间4-24h；并在80-100℃下进行烘干处理；将第一次球磨烘干后的原料分别在800-900℃下煅烧2-4h，得到预合成的物相组成；将所述预合成的物相组成分别进行第二次球磨，球磨时间4-24h；将第二次球磨后的原料分别在80-100℃下进行烘干并过筛，得到陶瓷粉体；先将第一类有机溶液进行混合4-6h，再向所述第一类有机溶液中加入第二类有机溶液、粘结剂和所述陶瓷粉体再次混合4-6h，得到用于流延成型的第一陶瓷浆料和第二陶瓷浆料；将所述第一陶瓷浆料和所述第二陶瓷浆料分别通过流延成型工艺制备得到高极化强度膜、高耐压强度和高储能效率膜；其中，所述流延成型工艺中刮刀的高度为80-200μm；将所述高极化强度膜、所述高耐压强度和高储能效率膜经裁剪、叠层、压制等工艺得到不同层状结构的陶瓷生坯；将所述陶瓷生坯在550-600℃下进行排胶处理，其中保温时间为8-10h，紧接着将排胶后的陶瓷坯体在密闭条件下进行烧结，最后得到所述层状高储能密度和高储能效率陶瓷介质。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述第一原料包括(1-x-y)bifeo
3-xbatio
3-yba(zn
1/2
ta
2/3
)o3和bi
0.39
na
0.36
sr
0.25
tio3，其中x＝0.30-0.40,y＝0.05-0.15，所述第二原料包括(1-z)srtio
3-zbifeo3和babi2nb2o9，其中z＝0.25-0.35。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述(1-x-y)bifeo
3-xbatio
3-yba(zn
1/2
ta
2/3
)o3对应的氧化物或碳酸盐包括bi2o3、fe2o3、baco3、tio2、zno和ta2o5；所述bi
0.39
na
0.36
sr
0.25
tio3对应的氧化物或碳酸盐包括bi2o3、na2co3、srco3和tio2；所述(1-z)srtio
3-zbifeo3对应的氧化物或碳酸盐包括srco3、tio2、bi2o3和fe2o3；所述babi2nb2o9对应的氧化物或碳酸盐包括baco3、bi2o3和nb2o5。5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述第一类有机溶液为无水乙醇、丁酮和三油酸甘油脂的混合溶液，且无水乙醇、丁酮和三油酸甘油脂的质量比为：40～60:80～120:3～6。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述第一类有机溶液中丁酮的加入量为陶瓷粉体质量的80％-100％。7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述第二类有机溶液为邻苯二甲酸二
丁酯、聚乙二醇的混合溶液，且邻苯二甲酸二丁酯和聚乙二醇的质量比为1:1。8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述第二类有机溶液中邻苯二甲酸二丁酯和聚乙二醇的加入量均为陶瓷粉体质量的2％-5％。9.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述粘结剂的加入量为陶瓷粉体质量的8％-15％。10.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述第一类有机溶液混合采用球磨工艺，球磨介质包括氧化锆球，其中氧化锆球的加入量为陶瓷粉体质量的1.5-2.5倍。

技术总结
本发明公开了一种层状高储能密度和高储能效率陶瓷介质及其制备方法，该陶瓷介质是由第一介质层和第二介质层交替层叠而成的层状结构，第一介质层为高极化强度介质层，材料包括(1-x-y)BiFeO


技术研发人员：闫非
受保护的技术使用者：西安电子科技大学
技术研发日：2023.06.07
技术公布日：2023/10/15