[发明专利]一种高储能高击穿场强微晶玻璃材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于微晶玻璃储能介质材料技术领域，特别是涉及一种高储能高击穿场强微晶玻璃材料及其制备方法。

背景技术

随着能源危机意识和环保意识的逐渐提高，人们开始尝试新型能源的开发和利用。作为新能源技术的重要支撑手段，储能技术得到了各国高度重视。其中电容器因其具有比功率高、充电速度快、耐循环老化、适用于高温高压场合以及对环境无污染等优点而备受关注。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、混合动力汽车用大功率模块化逆变器/变换器平台、植入人体医疗器件的供能供电等国防重大军事科研、现代工业和民用、医疗领域等都有着极为重要的应用。

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。

中国专利201410040185.9公开了一种高介电常数高击穿场强的铌酸锶钡玻璃陶瓷材料，由摩尔比为12:12:24:2x:2x:3x:3的SrO，BaO，Nb2O5，CaO，SiO2，B2O3以及BaF2组成，且x=5,6,7或8；该发明制得的铌酸锶钡玻璃陶瓷材料内部均匀生成的桃花状鳞石英晶体使得材料击穿场强高；同时，还合理控制铁电铌酸锶钡晶体与玻璃含量的比例，生成高介电常数高击穿场强和低的节点损耗的铁电玻璃陶瓷；但是该微晶玻璃材料的介电常数仍然只能达到300左右，击穿场强只能达到650左右，作为储能材料应用，其性能还一般；CN201310473495.5公开了一种可高储能的硼酸盐微晶玻璃介质材料，其组成化学式为：0.144SrO·0.176BaO·0.32Nb2O5·0. 36B2O3·xSrF2·yGd2O3，其中SrF2，Gd2O3为外加组分中的一种或两种，其摩尔百分数为:x=0-0.5；y=0.5-2.0；该发明通过调节外加组分SrF2和Gd2O3含量，获得了一种高储能密度的微晶玻璃电介质材料，所得微晶玻璃材料的介电常数为30-136可调，直流击穿强度879-1210kV/cm可调，可用于各种高储能密度及超高压电容器的制备；但该材料也同样存在介电常数低的缺陷，储能密度仅仅为7J/cm3，离工业应用还有一定差距。因此，获得一种高介电常数、高击穿场强的高储能介质材料是现阶段研究的重点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高储能高击穿场强微晶玻璃材料及其制备方法，由本发明所制备的材料具有十分高的介电常数、击穿场强和储能密度，能够在工业上应用于高储能密度电容器中。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案为：

一种高储能高击穿场强微晶玻璃材料，该微晶玻璃材料的原料化学组成为：aLa₂O₃-bZrO₂-cNb₂O₅-dCaO-eSiO₂-fB₂O₃-gSrF₂，其中，按摩尔百分比计0.05≤a≤0.15，0.05≤b≤0.10，0.15≤c≤0.2，0.1≤d≤0.2，0.3≤e≤0.5，f=0.05，0.02≤g≤0.1，且a+b+c+d+e+f+g=1。

作为优选，所述a=0.1，b=0.1，c=0.15，d=0.15，e=0.4，f=0.05，g=0.05。