[发明专利]一种铌酸锶钡基玻璃陶瓷储能材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于电介质储能材料领域，尤其是涉及一种铌酸锶钡基玻璃陶瓷储能材料及其制备方法。

背景技术

随着脉冲技术的发展，介电储能电容器在高储能密度、快速充放电性能、稳定性以及系统小型化和轻便化等方面的要求越来越高，为了满足介电储能电容器的这些要求，制备高介电常数、高耐击穿场强的电介质材料是目前储能电介质研究的主要目。因此，各国材料工作者正积极探索研究具有高介电常数、低接电损耗和高耐压强度的介质材料。目前，玻璃陶瓷材料是在高压高储能方面应用被认为是一种很有前途的新型储能材料。这是因为玻璃陶瓷材料能够使得微小的晶粒在玻璃基体中均匀地分布，进而使该材料能同时具备较高的介电常数(晶相提供)和较高的击穿强度(非晶玻璃相提供)。

铌酸锶钡玻璃陶瓷材料是采用高温熔融-快速冷却法制备出玻璃基体，再经过可控析晶法制备成。与传统铌酸锶钡陶瓷材料相比，铌酸锶钡基玻璃陶瓷具有一些很明显的优势，例如，晶粒细小基本已经达到纳米级别，能够均匀分布在玻璃基体里，结构致密，基本无孔洞，能大大提高耐击穿性能，在介电材料领域中拥有广阔的应用前景。然而与传统的玻璃材料相比，其又具有高介电常数特点，原因在于在玻璃基体中析出了高介电常数相铌酸锶钡。铌酸锶钡玻璃陶瓷材料的高介电常数和高耐击穿场强及优异的温度稳定性特点，研究结果表明，铌酸锶钡基钡硼铝硅玻璃体系的玻璃陶瓷具有较好的储能特性。

铁电玻璃陶瓷虽然较与传统的铁电陶瓷材料相比，耐击穿场强大大提高，但是由于其微观结构中存在着晶粒团聚现象，使得其耐击穿场强远低于理想值；与传统的玻璃材料相比，介电常数虽有较大的提高，但玻璃陶瓷容易析出低介电常数的相，这也使得其介电常数有所降低。综合起来影响其储能密度的提高。

目前，为了解决这类问题，有许多学者研究了添加氧化物对玻璃陶瓷储能特性的影响。Tang,LJ等人研究了添加不同含量的ZnO对铌酸锶钡玻璃陶瓷介电性能的影响，研究表明，随着添加量的逐渐增大，介电常数也逐渐增大直到最大值，同时铌酸锶钡玻璃陶瓷微观结构也有所改变，耐击穿场强有明显的提高(具体内容详见2015年第41卷JournalofElectronicMaterials第227至234页)；还有很多学者通过添加氟化物和稀土元素来改善显微结构，提高介电常数和储能密度(具体内容详见2013年第10卷第2期JournalofAmericanCeramicSociety第301至306页，2013年第92卷第2期JournalofAmericanCeramicSociety第372至375页)；有一部分学者同过改变Sr/Ba比，来调节玻璃储能材料的介电常数和耐击穿场强，进而提高玻璃陶瓷材料的储能密度(具体内容详见2014年第117卷MaterialsLetters第7至9页)。

但是，铁电玻璃陶瓷材料影响其介电常数和耐击穿场强的一个重要因素是玻璃基体自身，本篇发明专利是通过调节玻璃成分中的B/Si比，来改善玻璃储能材料的介电常数和耐击穿场强，进而提高玻璃陶瓷材料的储能密度。

中国专利CN103342466A公开了一种铌酸锶钡基微晶玻璃电介质材料及其制备方法，其制备方法为：以SrCO₃、BaCO₃、Nb₂O₅、H₃BO₃为起始原料，按照aSrO·bBaO·cNb₂O₅·dB₂O₃摩尔比配料，经球磨混料8h后烘干，在1300℃熔化保温30min，再经快速冷却、退火得到无气孔的均匀玻璃，在一定温度下进行可控晶化得到微晶玻璃电介质材料。该专利通过调节Sr/Ba比得到不同性能的微晶玻璃电介质材料，由于其组成导致制备得到材料介电系数会低至21，调节范围在21-143，介电常数波动范围大，储能密度最高也只能达到5.71J/cm³，另外，由于较多的加入B₂O₃的量，晶粒团聚现象较严重。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高储能密度钡硼铝硅玻璃体系的铌酸锶钡基玻璃陶瓷材料组成及其制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：