压载水处理高压脉冲用电介质材料及其制备方法

1.本发明属于电介质材料技术领域，特别涉及一种压载水处理高压脉冲用电介质材料及其制备方法。


背景技术：

2.当船舶没有货物航行时，通常在船舶的压载水舱中注入海水，即压载水，以保持船体航行的稳定性。而由于压载水的反复注入和排放，大量的有害生物和病原体四处扩散，导致海洋内的生态体系遭受破坏。
3.为了解决环境问题，需要对压载水进行处理。目前压载水的常用处理方法包括过滤、加热、紫外线照射、电解等，但同时也具有成本高、效果低、二次污染等问题。
4.脉冲功率技术在放电过程中会产生大量的离子、自由基等，这可灭活压载水中的微小生物。同时产生的冲击波、强紫外光和液电空化等会形成高温高压等离子体通道，对于处理压载水中较大的生物具有显著效果。脉冲技术具有环保、经济、高效的特点，有望解决目前处理压载水面临的问题。
5.电介质储能材料作为脉冲电容器的核心部件，直接决定了脉冲电容器的性能。高熵作为一种新的理论设计，通常将4个以上的阳离子以等量摩尔比占据一个位点组成，扩大了设计新型单相材料的范围。由于多重离子的质量、尺寸和键态不匹配，高熵材料被认为具有严重的晶格畸变和高度无序的晶格内部，从而产生了相应的高热力学性能等，高熵材料在实现新功能方面具有独特的优势。高熵材料如(bi
0.2
na
0.2k0.2
ba
0.2
ca
0.2
)tio3，存在储能密度低(w
rec
＝0.684j/cm3,e＝129kv/cm)。且对于高熵电介质材料报道目前较少。


技术实现要素：

6.本发明提供了一种压载水处理高压脉冲用电介质材料，其化学组成通式为(1-x)bati
0.97
cu
0.03o2.97-xbi(zn
0.2
mg
0.2y0.2
sn
0.2
hf
0.2
)o3(0《x≤0.2)，该电介质材料具有电流密度、功率密度高，放电速度快等优点。根据电容储能原理，该材料在压载水处理高压脉冲功率系统中作为电介质填充电容器的电极间隙，是压载水处理高压脉冲功率系统中的核心元件，其性能的好坏直接影响着脉冲功率系统的输出特性。本发明在(ba,cu)tio3基体中，引入bi基高熵氧化物bi(zn
0.2
mg
0.2y0.2
sn
0.2
hf
0.2
)o3，构建高熵结构，通过调节组分比例，获得高脉冲性能的电介质陶瓷材料。
7.为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
8.(1)按照化学式(1-x)bati
0.97
cu
0.03o2.97-xbi(zn
0.2
mg
0.2y0.2
sn
0.2
hf
0.2
)o3(0《x≤0.2)的摩尔比称取相应的氧化物粉末，球磨使其充分混合，放入烘箱烘干后在马弗炉中进行预烧处理。
9.烘干温度为110℃，时间为4-5h。
10.预烧温度为1050℃，预烧时间为4h。
11.(2)对预烧后的粉料进行二次球磨，加入粘结剂混合均匀后压制成圆片，排胶后在
马弗炉中进行烧结，得到陶瓷片。
12.步骤(1)及步骤(2)球磨采用的溶剂为无水乙醇，介质为氧化锆球，其中物料、乙醇与氧化锆球的质量比为1：3：5，球磨转速为600转/分，球磨时间为10-12h。
13.排胶温度为550℃，时间为2h。
14.烧结温度为1150-1350℃，烧结时间为3h。
15.(3)在陶瓷片表面涂覆银浆，于马弗炉中加热，得到脉冲电介质陶瓷材料。
16.加热温度为550-600℃，时间为1h。
17.与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
18.(1)本发明对材料的制备工艺、微观结构、脉冲充放电进行了系统的研究。通过引入cu到b位形成ba(cu,ti)o3，诱导产生极性纳米微区，降低剩余极化强度，提高储能效率。在此基础上，结合新型材料设计思路，引入高熵结构，建立新的ba(cu,ti)o
3-bi(zn
0.2
mg
0.2y0.2
sn
0.2
hf
0.2
)o3陶瓷体系，最终获得了具有优异脉冲充放电性能的电介质陶瓷材料。
19.(2)本发明提供的制备方法简单，采用的原材料不含铅等重金属元素，对环境友好。制备的电介质陶瓷材料，电流密度大、功率密度高，放电速度快，具有优异的脉冲充放电性能，在脉冲功率系统中具有广阔的应用前景，有望更好地解决目前处理压载水面临的问题。
附图说明：
20.图1为本实施例2电介质陶瓷的xrd图；
21.图2为本实施例2电介质陶瓷的sem图；
22.图3为本实施例2电介质陶瓷在40kv/cm、60kv/cm、80kv/cm、100kv/cm、120kv/cm、140kv/cm电场作用下的脉冲过阻尼放电电流曲线以及放电能量密度随时间的变化曲线(小图)；
23.图4为本实施例2电介质陶瓷在40kv/cm、60kv/cm、80kv/cm、100kv/cm、120kv/cm、140kv/cm电场作用下的脉冲欠阻尼放电电流曲线以及cd和pd在不同电场作用下的变化图(小图)。
具体实施方式
24.实施例1
25.采用固相烧结法制备一种脉冲电介质储能陶瓷，其具体步骤如下：
26.(1)按照化学式0.95bati
0.97
cu
0.03o2.97-0.05bi(zn
0.2
mg
0.2y0.2
sn
0.2
hf
0.2
)o3的化学计量比，称取baco3、tio2、cuo、bi2o3、zno2、mgo、y2o3、sno2、hfo2混合为物料，向球磨罐中加入质量比为1：3：5的物料、无水乙醇、氧化锆球。在600转/分的转速下球磨12h，放入烘箱4h烘干，随后在预烧温度为1050℃，预烧时间为4h条件下预烧处理得到预烧粉末。
27.(2)对预烧粉末进行二次球磨处理，球磨过程同步骤(1)。干燥后加入聚乙烯醇作为粘结剂，压制成圆片。将圆片进行排胶处理，温度550℃，时间为2h。随后在烧结温度为1250℃，烧结时间3h的条件下进行烧结处理，得到致密陶瓷片。
28.(3)在陶瓷片表面均匀涂敷高温银浆，在600℃下加热1h，得到所述脉冲电介质陶
瓷材料。
29.实施例2
30.采用固相烧结法制备一种脉冲电介质储能陶瓷，其具体步骤如下：
31.(1)按照化学式0.9bati
0.97
cu
0.03o2.97-0.1bi(zn
0.2
mg
0.2y0.2
sn
0.2
hf
0.2
)o3的化学计量比，称取baco3、tio2、cuo、bi2o3、zno2、mgo、y2o3、sno2、hfo2混合为物料，向球磨罐中加入质量比为1：3：5的物料、无水乙醇、氧化锆球。在600转/分的转速下球磨12h，放入烘箱4h烘干，随后在预烧温度为1050℃，预烧时间为4h条件下预烧处理得到预烧粉末。
32.(2)对预烧粉末进行二次球磨处理，球磨过程同步骤(1)。干燥后加入聚乙烯醇作为粘结剂，压制成圆片。将圆片进行排胶处理，温度550℃，时间为2h。随后在烧结温度为1250℃，烧结时间3h的条件下进行烧结处理，得到致密陶瓷片。
33.(3)在陶瓷片表面均匀涂敷高温银浆，在600℃下加热1h，得到所述脉冲电介质陶瓷材料。
34.所制备的电介质陶瓷的xrd图谱如图1所示，可见制备的电介质陶瓷为单一的钙钛矿结构，xrd图谱中没有其他二次相。所制备的电介质陶瓷的sem图谱如图2所示，可见陶瓷晶粒分布均匀，微观结构致密。所制备的电介质陶瓷在不同电场作用下的脉冲过阻尼放电电流曲线以及放电能量密度随时间的变化曲线如图3所示，可见该电介质陶瓷具有较高的放电能量密度(w
dis
＝0.66j/cm3)和极快的放电速度(t
0.9
约为50.4ns)。所制备的电介质陶瓷在不同电场作用下的脉冲欠阻尼放电电流曲线以及cd和pd在不同电场作用下的变化图如图4所示，可见该电介质陶瓷电流密度大(cd＝1061.1a/cm2)、功率密度高(pd＝74.3mw/cm3),具有优异的脉冲充放电性能。
35.实施例3
36.采用固相烧结法制备一种脉冲电介质储能陶瓷，其具体步骤如下：
37.(1)按照化学式0.85bati
0.97
cu
0.03o2.97-0.15bi(zn
0.2
mg
0.2y0.2
sn
0.2
hf
0.2
)o3的化学计量比，称取baco3、tio2、cuo、bi2o3、zno2、mgo、y2o3、sno2、hfo2混合为物料，向球磨罐中加入质量比为1：3：5的物料、无水乙醇、氧化锆球。在600转/分的转速下球磨12h，放入烘箱4h烘干，随后在预烧温度为1050℃，预烧时间为4h条件下预烧处理得到预烧粉末。
38.(2)对预烧粉末进行二次球磨处理，球磨过程同步骤(1)。干燥后加入聚乙烯醇作为粘结剂，压制成圆片。将圆片进行排胶处理，温度550℃，时间为2h。随后在烧结温度为1250℃，烧结时间3h的条件下进行烧结处理，得到致密陶瓷片。
39.(3)在陶瓷片表面均匀涂敷高温银浆，在600℃下加热1h，得到所述脉冲电介质陶瓷材料。
40.实施例4
41.采用固相烧结法制备一种脉冲电介质储能陶瓷，其具体步骤如下：
42.(1)按照化学式0.8bati
0.97
cu
0.03o2.97-0.2bi(zn
0.2
mg
0.2y0.2
sn
0.2
hf
0.2
)o3的化学计量比，称取baco3、tio2、cuo、bi2o3、zno2、mgo、y2o3、sno2、hfo2混合为物料，向球磨罐中加入质量比为1：3：5的物料、无水乙醇、氧化锆球。在600转/分的转速下球磨12h，放入烘箱4h烘干，随后在预烧温度为1050℃，预烧时间为4h条件下预烧处理得到预烧粉末。
43.(2)对预烧粉末进行二次球磨处理，球磨过程同步骤(1)。干燥后加入聚乙烯醇作为粘结剂，压制成圆片。将圆片进行排胶处理，温度550℃，时间为2h。随后在烧结温度为
1250℃，烧结时间3h的条件下进行烧结处理，得到致密陶瓷片。
44.(3)在陶瓷片表面均匀涂敷高温银浆，在600℃下加热1h，得到所述脉冲电介质陶瓷材料。
45.实施例5
46.采用固相烧结法制备一种脉冲电介质储能陶瓷，其具体步骤如下：
47.(1)按照化学式0.9bati
0.97
cu
0.03o2.97-0.1bi(zn
0.2
mg
0.2y0.2
zn
0.2
hf
0.2
)o3的化学计量比，称取baco3、tio2、cuo、bi2o3、zno2、mgo、y2o3、sno2、hfo2混合为物料，向球磨罐中加入质量比为1：3：5的物料、无水乙醇、氧化锆球。在600转/分的转速下球磨12h，放入烘箱4h烘干，随后在预烧温度为1050℃，预烧时间为4h条件下预烧处理得到预烧粉末。
48.(2)对预烧粉末进行二次球磨处理，球磨过程同步骤(1)。干燥后加入聚乙烯醇作为粘结剂，压制成圆片。将圆片进行排胶处理，温度550℃，时间为2h。随后在烧结温度为1150℃，烧结时间3h的条件下进行烧结处理，得到致密陶瓷片。
49.(3)在陶瓷片表面均匀涂敷高温银浆，在600℃下加热1h，得到所述脉冲电介质陶瓷材料。
50.实施例6
51.采用固相烧结法制备一种脉冲电介质储能陶瓷，其具体步骤如下：
52.(1)按照化学式0.9bati
0.97
cu
0.03o2.97-0.1bi(zn
0.2
mg
0.2y0.2
sn
0.2
hf
0.2
)o3的化学计量比，称取baco3、tio2、cuo、bi2o3、zno2、mgo、y2o3、sno2、hfo2混合为物料，向球磨罐中加入质量比为1：3：5的物料、无水乙醇、氧化锆球。在600转/分的转速下球磨12h，放入烘箱4h烘干，随后在预烧温度为1050℃，预烧时间为4h条件下预烧处理得到预烧粉末。
53.(2)对预烧粉末进行二次球磨处理，球磨过程同步骤(1)。干燥后加入聚乙烯醇作为粘结剂，压制成圆片。将圆片进行排胶处理，温度550℃，时间为2h。随后在烧结温度为1300℃，烧结时间3h的条件下进行烧结处理，得到致密陶瓷片。
54.(3)在陶瓷片表面均匀涂敷高温银浆，在600℃下加热1h，得到所述脉冲电介质陶瓷材料。
55.对比实施例1
56.采用固相烧结法制备一种脉冲电介质储能陶瓷，其具体步骤如下：
57.(1)按照化学式bati
0.97
cu
0.03o2.97
的化学计量比，称取baco3、tio2、cuo、混合为物料，向球磨罐中加入质量比为1：3：5的物料、无水乙醇、氧化锆球。在600转/分的转速下球磨12h，放入烘箱4h烘干，随后在预烧温度为1050℃，预烧时间为4h条件下预烧处理得到预烧粉末。
58.(2)对预烧粉末进行二次球磨处理，球磨过程同步骤(1)。干燥后加入聚乙烯醇作为粘结剂，压制成圆片。将圆片进行排胶处理，温度550℃，时间为2h。随后在烧结温度为1250℃，烧结时间3h的条件下进行烧结处理，得到致密陶瓷片。
59.(3)在陶瓷片表面均匀涂敷高温银浆，在600℃下加热1h，得到所述脉冲电介质陶瓷材料。
60.对比实施例2
61.采用固相烧结法制备一种脉冲电介质储能陶瓷，其具体步骤如下：
62.(1)按照化学式0.9bati
0.97
cu
0.03o2.97-0.1biyo3的化学计量比，称取baco3、tio2、
cuo、bi2o3、y2o3混合为物料，向球磨罐中加入质量比为1：3：5的物料、无水乙醇、氧化锆球。在600转/分的转速下球磨12h，放入烘箱4h烘干，随后在预烧温度为1050℃，预烧时间为4h条件下预烧处理得到预烧粉末。
63.(2)对预烧粉末进行二次球磨处理，球磨过程同步骤(1)。干燥后加入聚乙烯醇作为粘结剂，压制成圆片。将圆片进行排胶处理，温度550℃，时间为2h。随后在烧结温度为1250℃，烧结时间3h的条件下进行烧结处理，得到致密陶瓷片。
64.(3)在陶瓷片表面均匀涂敷高温银浆，在600℃下加热1h，得到所述脉冲电介质陶瓷材料。
65.对比实施例3
66.采用固相烧结法制备一种脉冲电介质储能陶瓷，其具体步骤如下：
67.(1)按照化学式0.9bati
0.97
cu
0.03o2.97-0.1bi(zn
0.25
mg
0.25y0.25
sn
0.25
)o3的化学计量比，称取baco3、tio2、cuo、bi2o3、zno2、mgo、y2o3、sno2混合为物料，向球磨罐中加入质量比为1：3：5的物料、无水乙醇、氧化锆球。在600转/分的转速下球磨12h，放入烘箱4h烘干，随后在预烧温度为1050℃，预烧时间为4h条件下预烧处理得到预烧粉末。
68.(2)对预烧粉末进行二次球磨处理，球磨过程同步骤(1)。干燥后加入聚乙烯醇作为粘结剂，压制成圆片。将圆片进行排胶处理，温度550℃，时间为2h。随后在烧结温度为1250℃，烧结时间3h的条件下进行烧结处理，得到致密陶瓷片。
69.(3)在陶瓷片表面均匀涂敷高温银浆，在600℃下加热1h，得到所述脉冲电介质陶瓷材料。
70.表1为电介质陶瓷的性能测试结果(电场140kv/cm)
[0071][0072]
所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

技术特征：
1.一种压载水处理高压脉冲用电介质材料，其特征在于，所述电介质材料的结构式为(1-x)bati
0.97
cu
0.03
o
2.97-xbi(zn
0.2
mg
0.2
y
0.2
sn
0.2
hf
0.2
)o3(0<x≤0.2)。2.一种根据权利要求1所述的压载水处理高压脉冲用电介质材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法步骤如下：(1)按照化学式的摩尔比称取相应的氧化物粉末，球磨使其充分混合，放入烘箱烘干后在马弗炉中进行预烧处理；(2)对预烧后的粉料进行二次球磨，加入粘结剂混合均匀后压制成圆片，对圆片进行排胶处理，随后在马弗炉中进行烧结，得到陶瓷片；(3)在陶瓷片表面涂覆银浆，于马弗炉中加热，得到电介质材料。3.根据权利要求2所述的电介质材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)和步骤(2)球磨采用的溶剂为无水乙醇，介质为氧化锆球，其中，物料、乙醇与氧化锆球的质量比为1：3：5，球磨转速为600转/分，球磨时间为10-12h。4.根据权利要求2所述的电介质材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中烘干温度为110℃，时间为4-5h。5.根据权利要求2所述的电介质材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中预烧温度为1050℃，预烧时间为4h。6.根据权利要求2所述的电介质材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中排胶温度为550℃，时间为2h。7.根据权利要求2所述的电介质材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中烧结温度为1150-1350℃，烧结时间为3h。8.根据权利要求2所述的电介质材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中加热温度为550-600℃，时间为1h。

技术总结
本发明属于电介质材料技术领域，具体涉及一种压载水处理高压脉冲用电介质材料及其制备方法。电介质材料的化学式为(1-x)BaTi


技术研发人员：刘晴晴 谈一鸣 陈智慧 任玉荣 邱建华
受保护的技术使用者：常州大学
技术研发日：2023.03.24
技术公布日：2023/7/12