[发明专利]一种核壳结构高耐电强度氧化钛基介质粉体及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种核壳结构高耐电强度氧化钛基介质粉体及其制备方法和应用，所述核壳结构高耐电强度氧化钛基介质粉体具有核壳机构，内核为TiO₂颗粒，外壳为CaO‑MgO‑Al₂O₃‑SiO₂包覆层；所述包覆层中CaO、MgO、Al₂O₃和SiO₂摩尔比为（0.7～1.1）：（0.9～1.2）：（1.7～2.3）：（7.5～8.3），优选为1:1:2:8。

技术领域

本发明涉及一种核壳结构高耐电强度氧化钛基介质粉体及其制备方法和应用，属于电子陶瓷材料技术领域。

背景技术

随着科学技术的不断发展，高功率脉冲技术在各个领域的应用越来越广阔。高功率脉冲技术的实质是将脉冲能量在时间尺度上进行压缩，以获得在极短时间内的高峰值功率输出。其典型特征是具有高电压(10³～10⁷V)、大电流(10³～10⁷A)和高功率(10⁶W)。脉冲功率系统中绝缘传输介质的介电性能、绝缘性能决定了脉冲功率器件的体积、级别和适用范围。传统上一般选用变压器油和去离子水作为绝缘传输介质，这类设备存在体积庞大，环境适应性差，可靠性低等问题，不能满足应用发展的需求，使用固态传输介质是脉冲功率技术实现紧凑小型化发展的必然趋势，受到国际科技界的广泛关注，在军事(强脉冲激光、高功率微波、电磁脉冲武器等)、科学研究(粒子束惯性约束聚变、电子束加速器、强X射线技术等)、工业(化学工业、石油工业等)，以及生物医学和环境保护等诸多领域显示出十分诱人的应用前景。

固态介质通常可分为有机物、玻璃和陶瓷三种。有机介质具有较高的耐电强度，但介电常数很低(2～3)，同时易变形和老化。玻璃虽然也具有较高的耐电强度，但存在严重的界面极化问题，实际储能密度和效率偏低。陶瓷介质的介电常数高且可调节、放电速度快、介电损耗低、工作温度范围宽、环境适应性好。但传统陶瓷材料的耐电强度较低，脉冲功率技术紧凑小型化的发展迫切需要开发高耐电强度的介质陶瓷材料技术。

氧化钛(TiO₂)陶瓷介电常数适中(90～110)，介电常数的频率稳定性好，是一种很有前景的脉冲功率系统用介质陶瓷材料。但纯氧化钛陶瓷的耐电强度只有25kV/mm，难以满足实际应用需求。因此，开发具有更高耐电强度的TiO₂基介质陶瓷技术将具有重要的科学意义和广阔的应用前景。

专利1(中国公告号CN108117385A)公开了一种具有高耐电强度的氧化钛基介质陶瓷体系，采用传统固相法烧结后，其陶瓷的耐电强度可高达40～48kV/mm，是介电性能优异的陶瓷材料体系。专利2(中国公开号CN103664162A)公开了一种CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂-TiO₂体系的具有高耐电强度的介质陶瓷材料，采用传统固相法烧结后，其陶瓷的耐电强度可以达到53kV/mm。但是，伴随着应用需求的不断提高，需要开发具有更高耐电强度的陶瓷材料技术。

发明内容

为此，本发明提供了一种全新结构的核壳结构高耐电强度氧化钛基介质粉体及其制备方法和应用，该材料具有较高的介电常数、高的耐电强度以及良好的环境适应性，可显著提高脉冲功率装置的输出功率、寿命和稳定性。

第一方面，本发明提供了一种核壳结构高耐电强度氧化钛基介质粉体，所述核壳结构高耐电强度氧化钛基介质粉体具有核壳机构，内核为TiO₂颗粒，外壳为CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂包覆层；所述包覆层中CaO、MgO、Al₂O₃和SiO₂摩尔比为(0.7～1.1)：(0.9～1.2)：(1.7～2.3)：(7.5～8.3)，优选为1:1:2:8。