[发明专利]一种高储能密度高温度稳定性介电玻璃陶瓷复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高储能密度高温度稳定性介电玻璃陶瓷复合材料及其制备方法。

背景技术

在现代社会中，随着科技进步的加速与人类需求的增加，高压设备如脉冲功率系统，心脏起搏器，混合电动汽车，同步辐射源等对其储能单元提出了新的要求：即朝着小型化与轻型化的方向发展。为了实现这一迫切需求，具有高耐压、高储能密度的电容器扮演着重要的角色，而决定电容器性能的核心是开发出具备高耐压、高储能密度的介电材料。

由于电介质的储能密度与其介电常数和电场强度的平方成正比例关系，由此而知兼具高介电常数与高击穿电场强度特性的电介质材料将具备高储能密度的特质。对于烧结陶瓷，其具有耐高温、耐磨损、不易老化变质的特点，而且其内部的铁电晶体具有高介电常数的特性，因此被广泛用于制造高储能电容器的电介质。但是由于烧结陶瓷电介质内部本身存在的孔隙、晶界缺陷等微观形貌，使得陶瓷电容的耐电压能力受到限制。与前者相比，玻璃陶瓷介电材料是一种很好的用于生产高储能电容器的电介质材料。玻璃陶瓷介电材料是先通过高温熔融与快速冷却的方法制得透明玻璃，然后通过可控结晶技术使得铁电晶体颗粒形核与结晶，形成铁电晶体颗粒均匀分布于玻璃基体的一种新型介电复合材料。由于玻璃陶瓷这种复合材料中的铁电晶体颗粒提供了高介电常数，而且无孔致密玻璃基体具有耐高电压的特点，使得这种介电玻璃陶瓷兼具高介电常数与高击穿场强的优点，进而使这种复合介电材料具备相当高的储能密度。

对于在高压的环境下使用的电容器，内部的电介质在高电压下会产生急剧的热效应，尽管人们采取了各种措施导出储能电容器散发的热量，但其内部的温度仍然会高于室温。依据高压电容器行业标准，介电材料的电容值需要在-30℃～80℃温度范围内考核。传统烧结陶瓷介电材料，如专利文献(CN 102101775A)所给出的陶瓷介质，其电容在-30℃～80℃温度范围内的变化介于9.3～-8.0的范围，其耐直流场强局限于12kV/mm附近。可以看到，该专利文献中所给出的陶瓷介质材料其电容值在-30℃～80℃温度范围内的变化还比较大，而且其耐压仍然处于较低的水平，不能很好的满足高压电容器的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高储能密度高温度稳定性介电玻璃陶瓷复合材料，该介电玻璃陶瓷复合材料适合用于高压电容器介质。

本发明的另一目的在于提供一种所述介电玻璃陶瓷复合材料的制备方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种高储能密度高温度稳定性介电玻璃陶瓷复合材料，该介电玻璃陶瓷复合材料所含的化学组分为a PbO-b BaO-c Na₂O-d Nb₂O₅-e SiO₂-fR₂O₃，其中a、b、c、d、e、f表示各组分之间的摩尔比例，分别为0≤a≤7.1，6.2≤b≤17.1，15.5≤c≤17.1，29.7≤d≤34.3，31≤e≤38.5，0≤f≤3，R为La、Ce、Pr、Sm和Lu中的一种。

一种所述的介电玻璃陶瓷复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)以分析纯级的PbO、BaCO₃、Na₂CO₃、Nb₂O₅、SiO₂和R₂O₃的粉末为原料，严格按照a PbO-b BaO-c Na₂O-d Nb₂O₅-e SiO₂-f R₂O₃的比例配料混合，将混合粉末在行星球磨机中加入球磨介质研磨12h，然后将球磨好的原料置于铂坩埚中在1500℃保温3h；

(2)将通过步骤(1)所得到的高温熔体快速通过金属辊压延机制备出厚度为0.3～1mm、厚度连续可调的透明玻璃片；

或者，将通过步骤(1)所得到的高温熔体快速浇注至预热的金属模具中，然后经后续加工成为厚度为1～2mm的薄玻璃片；

(3)将通过步骤(2)所得到的玻璃片进行可控结晶，可控结晶采用两步法：首先将混合好的粉末原料缓慢加热至630℃保温3h，使铌酸盐晶体颗粒形核，然后继续加热至900℃保温3h使晶核长大，析出纳米尺寸的铁电铌酸盐相，且均匀分布于玻璃基体中的玻璃陶瓷复合材料。

其中，所述球磨介质为去离子水或无水乙醇。