一种新型混合加工技术实现锆钛酸铅基陶瓷的高储能密度、高效率及低温烧结

为解决多层陶瓷电容器(MLCC)中陶瓷与内电极共烧结温度过高的问题，研究人员开发了一种混合加工技术(HPT)，通过将煅烧陶瓷粉末与溶胶溶液复合，成功将烧结温度从1300°C降至1120°C，同时获得12.4 J/cm3 的高储能密度和92.4%的效率。该技术通过增加比表面积和氧空位提升反应活性，兼具界面绝缘性和电击穿强度优化的特点，为陶瓷制造提供了创新设计思路。

　　

随着可再生能源和便携式能源需求的激增，储能元件的发展成为研究热点。其中，介电电容器因其快速充放电、高功率密度和长寿命等优势备受关注。然而，传统锆钛酸铅基陶瓷的烧结温度通常超过1300°C，远高于内电极材料（如30Pd-70Ag合金）的耐受极限（约1150°C），这导致电极材料中银元素扩散等问题。若采用更廉价的铜电极，其熔点（1083°C）又无法承受高温烧结。此外，传统降低烧结温度的方法（如添加玻璃粉末或Bi₂
O₃
）往往以牺牲介电常数和极化为代价。如何在不损害性能的前提下实现低温烧结，成为制约多层陶瓷电容器(MLCC)发展的关键瓶颈。

针对这一挑战，国内研究人员在《Journal of Materiomics》发表了一项突破性研究。团队提出了一种创新的混合加工技术(Hybrid Processing Technology, HPT)，通过将常规固相反应制备的(Pb_0.94
La_0.04
)(Zr_0.51
Sn_0.47
Hf_0.01
Ti_0.01
)O₃
(PLZSHT)陶瓷粉末与溶胶-凝胶法合成的(Pb_0.97
La_0.02
)(Zr_0.6
Sn_0.4
)O₃
(PLZS)溶胶复合，构建了微纳复合结构。该技术利用溶胶引入的高比表面积和氧空位，显著提升了材料化学反应活性，同时通过界面电阻增强改善了绝缘性能。

研究采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)表征材料结构，通过热重-差示扫描量热法(TG-DSC)分析烧结行为，并利用精密铁电分析仪测试极化-电场(P-E)回线。阻抗谱和泄漏电流测试揭示了界面电阻对击穿强度(BDS)的提升机制。

3.1 相结构与介电性能
XRD和拉曼光谱证实复合陶瓷以四方相为主，随着PLZS含量增加，正交相比例上升。SEM显示HPT制备的样品在1120°C烧结后致密度显著优于传统方法样品。TEM观察到PLZS层在晶界形成8 nm厚的界面层，XPS证实溶胶处理使氧空位浓度增加50%以上。介电测试表明，PLZS的引入使介电常数提升20%，同时温度稳定性优异（-30°C至85°C性能波动<12%）。

3.2 储能性能
P-E测试显示，最优组份A3在664 kV/cm的击穿强度下，储能密度达12.4 J/cm³
，效率92.4%。泄漏电流测试表明复合陶瓷的漏电流比传统陶瓷低一个数量级，阻抗谱分析发现其晶界电阻显著增加。模拟计算揭示PLZS层使电场分布更均匀，击穿路径迂曲度增加40%。疲劳测试表明A3在4万次循环后储能密度仅衰减3.4%，远优于商业MLCC标准。

3.3 充放电特性
在过阻尼条件下，A3样品放电能量密度达10.2 J/cm³
，t_0.9
放电时间为228 ns；欠阻尼状态下电流密度达1860 A/cm²
，对应功率密度289 MW/cm³
，满足脉冲功率器件要求。

这项研究通过HPT技术实现了三大突破：一是将烧结温度降低180°C，使铜电极应用成为可能；二是通过溶胶组分设计同步提升极化强度(ΔP=45 μC/cm²
)和击穿强度(28%)；三是建立了"成分-界面-性能"的调控新范式。该技术无需特殊设备，工艺简单，可推广至其他陶瓷体系。其成果不仅为高功率MLCC开发提供了解决方案，更为功能陶瓷的低温制备开辟了新途径。