一种稀土元素Sm掺杂的铪锡酸铅基反铁电陶瓷、制备方法及应用与流程

本发明属于功能材料，具体涉及一种稀土元素sm掺杂的铪锡酸铅基反铁电陶瓷、制备方法及应用。

背景技术：

1、电介质电容器因为其超高的功率密度、超快的充放电速率等优异特性，与脉冲功率技术完美适配，被广泛应用在混合动力汽车、脉冲功率武器等领域。而对于陶瓷基电容器而言，其具有温度稳定性好和循环寿命长等优点，但能量密度相对较低，无法满足脉冲功率设备小型化和集成化的需求。

2、反铁电陶瓷在外加电场作用时具有反铁电相-铁电相转变，诱使极化强度迅速增大，而撤除外加电场时，电场诱导的铁电相又迅速转变为反铁电相，导致剩余极化强度几乎为零。因此，只有当反铁电陶瓷电容器的击穿电场强度高于反铁电相-铁电相相变电场强度时，才能获得较高的能量密度，但其击穿场强不高，效率普遍偏低(小于80％)。目前，主流反铁电材料仍以性能高、商业化高的铅基材料为主。

3、常见的(pb,la)(zr,sn,ti)o3基反铁电陶瓷材料大多所含元素种类多，成分复杂，成分波动使得陶瓷材料缺陷增加，不利于击穿强度的提升，并且由于反铁电-铁电和铁电-反铁电的转折场差异大，造成较大迟滞，严重降低了储能效率(j.am.ceram.soc.,2020,103,1831-1838.)。而铪酸铅反铁电陶瓷材料的反铁电性强，并且存在一个稳定的中间相，有较强的研究价值。然而，严苛的制备条件和低的储能特性(低的储能密度和储能效率)严重限制了其发展(acta mater.,2024,267,119715)，不利于产业化应用。

技术实现思路

1、本发明第一个目的在于，提供一种全新的铪锡酸铅基反铁电陶瓷，以克服铪锡酸铅基反铁电陶瓷在微观结构不致密和储能性能差等方面的缺点。

2、为此，本发明的上述目的通过如下技术方案实现：

3、一种稀土元素sm掺杂的铪锡酸铅基反铁电陶瓷，其特征在于：所述稀土元素sm掺杂的铪锡酸铅基反铁电陶瓷的化学式为：pb1-1.5xsmxhf0.85sn0.15o3，其中：0＜x≤0.08。

4、在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：

5、作为本发明的一种优选技术方案：0.02≤x≤0.05。

6、本发明第二个目的在于，提供一种稀土元素sm掺杂的铪锡酸铅基反铁电陶瓷的制备方法。

7、为此，本发明的上述目的通过如下技术方案实现：

8、一种稀土元素sm掺杂的铪锡酸铅基反铁电陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

9、s1、按照化学计量比pb1-1.5xsmxhf0.85sn0.15o3称取高纯原料pb3o4、sm2o3、hfo2、sno2粉体，置于球磨罐中，以无水乙醇、氧化锆球、氧化锆柱为球磨介质，采用球磨混料一段时间，烘干得到混合粉体；

10、s2、将上述混合粉体压制成块状或者饼状，在840～880℃下合成反应一段时间，自然冷却后，破碎、研磨过筛，得到合成粉体；

11、s3、将上述合成粉体进行细磨一段时间，依次经烘干、研磨、造粒、陈化和过筛等步骤，得到颗粒均匀的陶瓷粉体；

12、s4、将上述陶瓷粉体压制成小圆片，并在700℃下保温一段时间，将粘结剂充分排出，随后以一定的升温速率升温至1200～1340℃，并在保温下烧结2～4h，得到pb1-1.5xsmxhf0.85sn0.15o3陶瓷。

13、在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：

14、作为本发明的一种优选技术方案：步骤s1中，氧化锆球直径为：6mm，氧化锆柱尺寸为：高10mm×直径10mm。

15、作为本发明的一种优选技术方案：步骤s1中，球磨时间为：2～6h。

16、作为本发明的一种优选技术方案：步骤s2中，合成反应时间为2～3h。

17、作为本发明的一种优选技术方案：步骤s2中，筛的规格为：30～50目。

18、作为本发明的一种优选技术方案：步骤s3中，细磨时间为4～8h。

19、作为本发明的一种优选技术方案：步骤s4中，保温时间为1～4h。

20、作为本发明的一种优选技术方案：步骤s4中，升温速度为1～4℃。

21、本发明还有一个目的在于，提供前文所述的稀土元素sm掺杂的铪锡酸铅基反铁电陶瓷的应用。

22、为此，本发明的上述目的通过如下技术方案实现：

23、如前文所述的稀土元素sm掺杂的铪锡酸铅基反铁电陶瓷在脉冲功率电介质电容器制备中的应用。

24、本发明提供一种稀土元素sm掺杂的铪锡酸铅基反铁电陶瓷、制备方法及应用，与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

25、在传统铪酸铅基体上，引入sn离子进入晶格b位，增强材料的弛豫特性并增强其反铁电性；同时，在铪锡酸铅基体中，引入稀土元素sm，向a位引入了异价离子sm3+，使得原本的晶体结构发生畸变(pb离子半径为sm离子半径为)，容忍因子降低，反铁电性进一步增强，原本长程有序的结构排列被破坏，致使局部区域的结构和性能发生大的改变，诱导相变发生并诱发随机场，有利于形成纳米畴，使得畴翻转势垒降低，剩余极化强度进一步减小；并且，由于异价离子sm取代，形成了a位空位，在一定程度有利于抑制载流子的数量和迁移速率，客观上对击穿强度有促进作用，储能特性进一步提升，本发明所提供的稀土元素sm掺杂的铪锡酸铅基反铁电陶瓷制备成陶瓷元件的电性能测试结果为：击穿场强为414～526kv/cm，储能密度为11.14～12.99j/cm3，储能效率为78.9～85.1％，具有优异的储能特性，在脉冲功率电介质电容器制备应用中具有良好的前景。

技术特征：

1.一种稀土元素sm掺杂的铪锡酸铅基反铁电陶瓷，其特征在于，所述稀土元素sm掺杂的铪锡酸铅基反铁电陶瓷的化学式为：pb1-1.5xsmxhf0.85sn0.15o3，其中：0＜x≤0.08，优选为：0.02≤x≤0.05。

2.根据权利要求1所述的稀土元素sm掺杂的铪锡酸铅基反铁电陶瓷的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的稀土元素sm掺杂的铪锡酸铅基反铁电陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤s1中，氧化锆球直径为：6mm，氧化锆柱尺寸为：高10mm×直径10mm。

4.根据权利要求2所述的稀土元素sm掺杂的铪锡酸铅基反铁电陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤s1中，球磨时间为：2～6h。

5.根据权利要求2所述的稀土元素sm掺杂的铪锡酸铅基反铁电陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤s2中，合成反应时间为2～3h。

6.根据权利要求2所述的稀土元素sm掺杂的铪锡酸铅基反铁电陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤s2中，筛的规格为：30～50目。

7.根据权利要求2所述的稀土元素sm掺杂的铪锡酸铅基反铁电陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤s3中，细磨时间为4～8h。

8.根据权利要求2所述的稀土元素sm掺杂的铪锡酸铅基反铁电陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤s4中，保温时间为1～4h。

9.根据权利要求2所述的稀土元素sm掺杂的铪锡酸铅基反铁电陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤s4中，升温速度为1～4℃。

10.根据权利要求1所述的稀土元素sm掺杂的铪锡酸铅基反铁电陶瓷在脉冲功率电介质电容器制备中的应用。

技术总结
本发明提供一种稀土元素Sm掺杂的铪锡酸铅基反铁电陶瓷、制备方法及应用，在传统铪酸铅基体上，引入Sn离子进入晶格B位，增强材料的弛豫特性并增强其反铁电性；同时，在铪锡酸铅基体中，引入稀土元素Sm，向A位引入了异价离子Sm<supgt;3+</supgt;，使得原本的晶体结构发生畸变，容忍因子降低，反铁电性进一步增强，原本长程有序的结构排列被破坏，致使局部区域的结构和性能发生大的改变，诱导相变发生并诱发随机场，有利于形成纳米畴，使得畴翻转势垒降低，剩余极化强度进一步减小；并且，由于异价离子Sm取代，形成了A位空位，在一定程度有利于抑制载流子的数量和迁移速率，对击穿强度有促进作用，储能特性进一步提升，在脉冲功率中具有良好的应用前景。

技术研发人员：王根水,邓韬,胡腾飞,刘振
受保护的技术使用者：国科大杭州高等研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/9/12