基本信息
- 项目名称：
- 超级电容器用介质材料的合成与表征
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 分别采用草酸盐共沉淀法和溶胶-凝胶自蔓延法制备CCTO粉体及其陶瓷，通过对制备工艺的优化制备出高性能的CCTO粉体及陶瓷；以长链有机酸作为表面活性剂用于溶胶-凝胶自蔓延法，制备出高质量的CCTO粉体及其陶瓷；通过热重和差热分析(TG-DSC)、X-射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)和扫描电子显微镜(SEM)等手段对这两种湿化学法制备的前驱体的分解过程以及陶瓷的相组成和微观形貌进行了表征。
- 详细介绍：
- 1. 通过改进草酸盐共沉淀法制备CCTO粉体及其陶瓷，研究了共沉淀反应过程中的各种条件，确定了最佳反应条件为共沉淀反应的pH值是3.0，前驱体的预烧温度850°C，陶瓷坯体的烧结温度980 °C。实验结果表明，采用改进的草酸盐共沉淀法可以显著减小粉体的粒径以及降低陶瓷的烧结温度。研究了制备CCTO各种元素的配比，得到最佳实验配比为Ca: Cu: Ti(mol)=1.10: 2.95: 4.05，陶瓷的室温介电常数是1.3×104，介电损耗是0.1。 2. 利用溶胶-凝胶自蔓延法，并添加长链有机酸作为表面活性剂制备CCTO粉体及其陶瓷，研究了长链有机酸添加量、粉体自燃温度和坯体的烧结温度对陶瓷相组成，微观形貌和介电性能的影响。通过该方法成功制备了分散性好，物相较纯的CaCu3Ti4O12粉体，以及介电性能较好的陶瓷。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 以具有巨介电常数的CaCu3Ti4O12（CCTO）纳米材料为基质来制备细晶薄层的多层陶瓷电容器(MLCC)，通过MLCC的串并混联来制备大容量超级电容器。 分别以改进的草酸盐共沉淀法和溶胶-凝胶自蔓延法制备CCTO粉体，研究表面活性剂和制备条件对CCTO粉体及其陶瓷的相组成和微观形貌的影响，制备超细CCTO瓷粉及其细晶陶瓷材料。为制备高性能超级电容器用介质材料奠定基础。
科学性、先进性及独特之处
- ① 本课题组拟采用新型的巨介电常数材料CCTO作为制备超级电容器的基质。该材料在100~600 K的温度范围内具有极好的温度稳定性，在未发生铁电相转变的情况下，于低频时有高达105的介电常数。 ② 通过液相共沉淀法和采用溶胶-凝胶自蔓延法分别制备超细、高活性、高质量的粉体材料，解决了传统固相法制备CCTO材料粉体活性低、煅烧温度高、烧结时间长及随着晶粒的增大介电常数增加的问题。
应用价值和现实意义
- 本课题的研究具有广泛的实用性和创新性。开展这方面的研究工作有助于提出多层陶瓷电容器研究的新方向，为我国超级电容器电池制造开创新思路并提升技术水平，实现自主创新和自主研发，促进国内一大批相关电子产业发展，带动我国汽车制造业的发展，大幅度提升国产品牌汽车的国际竞争力。
学术论文摘要
- CaCu3Ti4O12(CCTO)材料因其极高的介电常数和良好的温度稳定性，而具有广阔的应用前景。本文采用改进的草酸盐共沉淀法制备CCTO纳米粉体及其陶瓷，通过FT-IR、TG-DTA、XRD，TEM及SEM对前驱体、预烧粉体及其陶瓷进行表征，并测试制得陶瓷的介电性能。结果表明，采用改进草酸盐共沉淀制备的前驱体经过850℃/2h预烧得到了CCTO纳米粉体，经980℃/4h烧结得到了具有高介电常数的致密陶瓷（介电常数24500，介电损耗0.13）。改进后的制备方法降低了反应温度、缩短了反应时间，而且无需添加有机溶剂或者草酸钠沉淀剂；工艺简单，材料性能明显提高，成本大大降低。
获奖情况
- 论文《CaCu3Ti4O12纳米粉体及其陶瓷的制备和表征》已接收； 《一种巨介电常数材料钛酸铜钙的新合成方法》正在申请国家发明专利。
鉴定结果
- 论文已接收
参考文献
- [1] M. A. Subramanian, Dong Li, N. Duan, et al. High Dielectric Constant in ACu3Ti4O12 and ACu3Ti3FeO12 Phases[J]. Journal of Solid State Chemistry, 2000, 151: 323-325. [2] M. A. Subramanian, A. W. Sleight. ACu3Ti4O12 and ACu3Ru4O12 perovskites: high electric constants and valence degeneracy[J]. Solid State Sciences, 2002, 4: 347–351. [3] Loïc Marchin, Sophie Guillemet-Fritsch, Bernard Durand. Soft chemistry synthesis of the perovskite CaCu3Ti4O12[J]. Progress in Solid State Chemistry, 2008, 36(1-2): 151-155. [4] Anthony R. West, Timothy B. Adams, Finlay D. Morrison, et al. Novel high capacitance materials BaTiO3:La and CaCu3Ti4O12[J]. Journal of the European Ceramic Society, 2004, 24(6): 1439-1448. [5] Shuhua Jin, Haiping Xia， Yuepin Zhang et al. Synthesis of CaCu3Ti4O12 ceramic via a sol-gel method[J]. Materials Letters, 2007,61： 1404-1407.
同类课题研究水平概述
- 随着超级电容器电池研究和应用的迅速发展，介电材料不仅用于制备多层电容器，而且已用于开发研究新型的超级电容器电池，这一思路已被发达国家所重视。 目前用于制备多层电容器的基体材料主要是BaTiO3系材料，同时也是最早实现商业化的MLCC用介电材料。为了能满足电子线路小型化、集成化和表面安装的要求，一般通过优化工艺和添加改性成分来改善材料的介电性能。但是相对于新发现的巨介电常数CCTO材料而言其介电常数和介温稳定性都有待提高。 CCTO的制备方法主要有固相法和液相法。传统的固相法过程最简单，适用于制备陶瓷粉体和块体，工艺简单、成品率高，但是材料的内部缺陷多。液相法包括化学共沉淀法和溶胶-凝胶法，其中化学共沉淀法是近年来发展起来的制备纳米CCTO的新方法，该方法得到的粒子粒度小，煅烧温度低，粉体活性高，但是由于Ca、Cu、Ti三种离子的沉淀pH不同，反应条件还有待进一步摸索。溶胶-凝胶法具有粉体粒径小，粒度分布窄，组分容易控制，化学活性好的优点，但这种方法高温处理时存在快速团聚的现象，同时成本较高。而且所使用的钙和铜的化合物为醋酸盐或者硝酸盐，醋酸盐的成本很高几乎是硝酸盐的两倍，但是硝酸盐在热处理的过程中容易因快速分解产生大量的热量以及气体，容易爆炸，导致危险。传统的溶胶-凝胶自蔓延法是利用柠檬酸络合金属离子并在低温下发生自蔓延反应而制备CCTO粉体的一种新方法，不需要对粉体进行预烧处理，简化了反应过程以及降低了能耗，但是这种方法需要大量使用价格昂贵的柠檬酸作为络合剂，用量很大以保证不形成柠檬酸盐沉淀，而在过量情况下形成可溶性的柠檬酸络合物，以及自蔓延反应发生的碳源，同时室温介电常数仅6000-10000。 虽然CCTO材料具有大的介电常数和极好的温度稳定性，但是利用CCTO作为制备超级电容器用介质材料却也存在着不足之处，即CCTO粉体材料的晶粒尺寸较大，不利于制备MLCC，同时CCTO陶瓷材料的介电损耗较大。因此制备细晶高介低损耗的CCTO材料即我们研究的重点内容。
