[发明专利]一种储能铌酸盐微晶玻璃介质材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种储能介质材料，特别是一种环保、储能铌酸盐微晶玻璃介质材料及其制备方法。

背景技术

储能介质材料可把较小功率的能量以较长时间输入到储存能量的设备中，将能量进行压缩与转换后，在极短的时间(最短可为纳秒)以极高的功率向负载释放。储能介质材料可作为高储能密度电容器使用。目前，高储能密度电容器在脉冲功率系统(如全电动推进舰艇、电热电磁轨道炮武器、受控激光核聚变)、油气深井勘探等国防重大军事科研、现代工业和民用领域等都有着极为重要的应用。在当前的电动和混合动力汽车开发研究中也都需要大功率模块化逆变器/变换器平台。现有逆变器平台中使用的是储能密度较低的聚合物薄膜电容和铝电解电容，这使得电容器体积庞大，占逆变器模块近一半的体积，给这些逆变器的小型化带来困难。若能使用高储能密度电容器代替铝电解电容器，控制单元体积将大为减小，从而极大地提高电动汽车的性能。在植入人体的一些医疗器件的供能供电方面，这种高储能密度的电容器也有重要应用。

电容器的储能密度是指电容器单位体积储存的能量，其大小正比于ε.E²(其中ε是介质的相对介电常数，E是介质的工作电场场强)。因此通过提高材料的击穿场强或介电常数均可增加材料的储能密度，而提高材料的击穿场强是增加储能密度的最有效途径。

目前，电容器用介质材料主要有三类，分别为箔式结构电容器或金属化膜电容器、钛酸钡介电陶瓷、聚合物薄膜(如聚脂薄膜、聚偏氟乙烯薄等)。箔式结构电容器或金属化膜电容器存在储能密度低(≤1.0J/cm³)，而且存在发生故障后易爆炸和放电电流小、放电寿命短等缺点。聚合物薄膜具有击穿场强高和耐冲击等优点，但其介电常数太小(～3)，使得此类电容器储能密度通常也较低；钛酸钡陶瓷虽然有高的介电常数，但材料中存在难以消除的缺陷(气孔、晶界等)，致使材料的耐击穿场强较低(几百kV/cm)，因此该类陶瓷材料储能密度不高。高新技术的发展对电容器储能密度和耐电压特性提出了更高的要求，现有的电介质材料将越来越难以满足高储能密度电容器的要求。

微晶玻璃(又称玻璃陶瓷)以无气孔方式集玻璃态物质的高击穿场强和介电陶瓷的高介电常数于一体，成为新一代的高储能电容器电介质材料。目前，现有的储能微晶玻璃介质材料主要有钛酸钡基微晶玻璃和含有氧化铅的铌酸盐微晶玻璃两类。前者的缺点是击穿场强偏低，致使储能密度较低，且在施加高电场时储能密度发生恶化。后者由于组成含有较多的氧化铅组分使其应用受限，同时晶化时析出大量的NaNbO₃对提高材料的击穿强度是不利的，且储能密度也不算高。迄今为止，尚未见无铅储能密度铌酸盐微晶玻璃介质材料的报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种环保储能铌酸盐微晶玻璃介质材料及其制备方法。该方法所制备的介质材料具有很高的击穿场强与适中的介电常数，从而解决了目前微晶玻璃电介质材料制备中所存在的不足和缺陷。

本发明所述储能铌酸盐微晶玻璃介质材料的配方为：aNa₂O.bSrO.cBaO.dNb₂O₅.eSiO₂.fB₂O₃.g XY₂，其中X＝Ti，Ba；Y＝O，F；a+b+c+d+e+f＝1，其中，按摩尔百分数计0≤a≤0.15，0.208≤b＝c≤0.225，0.18≤d≤0.20，e＝0.3，f＝0.05，g为外加晶核剂，其质量百分数0≤g≤3。

其制备方法是通过调节微晶玻璃材料中Na₂O的含量，或者通过调节外加晶核剂XY₂的含量，采用可控析晶法，制备出晶粒细小、分布均匀的微晶玻璃介质材料。具体步骤如下：