[发明专利]一种新型铌酸盐基玻璃陶瓷储能材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于电介质储能材料领域，尤其是涉及一种新型铌酸盐基玻璃陶瓷储能材料及其制备方法和应用。

背景技术

为了满足脉冲功率系统的小型化和轻量化的要求，作为核心部件的介电材料的发展面临更多挑战，如何进一步提高电介质材料的储能密度成为研究的焦点，各国材料工作者正积极探索研究具有高介电常数、低接电损耗和高介电强度的介质材料。铌酸盐铁电玻璃陶瓷近年来由于其优异的介电性能在该领域引起了广泛的关注。目前被广泛研究的主要有铌酸锶钡(SrxBa1-xNb2O6,x＝0.25-0.75)、偏铌酸铅(PbNb₂O₆)、铌酸钡钠(Ba₂NaNb₅O₁₅)、铌酸钾(KNbO3)、铌酸钠(NaNbO3)等体系。

在铌酸盐基玻璃陶瓷体系，目前报导的储能密度较高的主要为偏铌酸铅(PbNb₂O₆)基玻璃陶瓷体系，杜军等人采用可控析晶的方法制备了NaNbO₃-PbNb₂O₆-SiO₂、(Pb,Sr)Nb₂O₆-NaNbO₃-SiO₂等体系玻璃陶瓷，通过优化制备工艺，得到了较高的储能性能([Preparationandcharacterizationofdielectricglass-ceramicsinNa₂O–PbO–Nb₂O₅–SiO₂system,MaterialsLetters59(2005)2821-2826])。但是，这些体系均含有铅，在高温下铅容易挥发，对环境又害。有文献报道，肖特公司生产的AF45玻璃具有极高的耐击穿电压，在实验室测得其耐击穿电压达到12MV/cm，经测试AF45玻璃的最大储能密度达到了35J/cm3([Alkali-freeglassasahighenergydensitydielectricmaterial,MaterialsLetters63(2009)1245-1248])，但是AF45玻璃的组成过于复杂，而且该玻璃的粘度太大，很难在常规条件下制备。Zeng等人通过掺杂BaF2有效提高了BaO-SrO-Nb₂O₅-B₂O₃体系玻璃陶瓷的介电常数，但是该体系的耐击穿场强只有527Kv/cm,因而储能密度较低([EffectofBaF₂additiononcrystallizationkineticsanddielectricpropertiesofB₂O₃-Nb₂O₅-SrO-BaOglass-ceramics,J.Am.CeramSoc,2011,94(2):469])。本小组前期采用基于BaO-B₂O₃-Al₂O₃-SiO₂作为玻璃相主要成分，制备了铌酸盐铁电玻璃陶瓷([Dielectricpropertiesandcharge–dischargebehaviorsinniobateglassceramicsforenergy-storageapplications,JournalofAlloysandCompounds617(2014)418–422.])，但是，由于玻璃基的组成过于复杂，不仅制备工艺更复杂，而且在析晶过程中，很容易形成许多杂质相，从而影响玻璃陶瓷的储能特性。