[发明专利]低介电损耗高储能密度的结构紧密的硼酸盐玻璃陶瓷、制备方法及应用

说明书

一种低介电损耗高储能密度的结构紧密的硼酸盐玻璃陶瓷材料，该材料的制备方法为：首先采用了K₂CO₃、Na₂CO₃、Nb₂O₅及H₃BO₃为原料，按化学式1‑x(K₂O‑Na₂O‑2Nb₂O₅)‑xB₂O₃(0.10≤x≤0.30)配比取料，粉体通过机械球磨混合均匀，退火；经过熔融、冷却成型和退火得到玻璃块体，并通过在800℃保温2h晶化处理制得玻璃陶瓷材料。本发明制备工艺简单，原料价格低廉，制作成本低，室温能够获得线性的电滞回线，储能密度最高达到2.65J/cm³，介电损耗低于0.04，在200℃高温下保证储能效率在96％以上。

技术领域

本发明涉及玻璃陶瓷材料领域及其制备方法，特别涉及获得低介电损耗高储能密度的结构紧密的硼酸盐玻璃陶瓷材料及其制备方法与应用。

背景技术

近年来，脉冲技术在混合动力汽车、航空航天及石油钻井等领域的飞速发展，对储能介质电容器提出了“高温化、高能量密度和高可靠性”的要求。由晶相和致密玻璃相构成的玻璃陶瓷依赖于其内部致密玻璃相的高击穿场强与铁电晶相的良好介电性能而在储能介电材料领域受到科研工作者的青睐。

根据线性电介质的储能密度计算公式可得储能元件的储能密度与其自身的相对介电常数与击穿场强有关。为了使玻璃陶瓷材料具有较高的储能密度，有工作在基质玻璃系统中添加Pb⁴⁺以提升其各种性能。为了实现材料的无铅化，科研工作者开始对钙钛矿型与钨青铜型铁电材料进行研究。目前，铌酸盐玻璃陶瓷是储能玻璃陶瓷的热点研究，大多围绕铌酸锶钡玻璃粉体或陶瓷展开研究，但是铌酸锶钡玻璃陶瓷的制备过程中所用原料较为复杂，还存在原料利用不高的缺陷；而对于铌酸钾钠玻璃陶瓷材料研究甚少。铌酸钾钠(即(K,Na)NbO₃)属于典型钙钛矿晶体结构。ABO₃型的钙钛矿晶体结构是一种稳定且应用广泛的晶型是典型铁电体，不仅在铁电、压电、热释电方面有较多的研究，还在光催化、储能方面有更为新颖的研究关注热度。

发明内容

本发明通过碱金属氧化物的存在促进铁电晶相形成以获得高介电常数,同时优化硼酸盐玻璃网络结构以提高击穿强度。1-x(K₂O-Na₂O-2Nb₂O₅)-xB₂O₃系统玻璃陶瓷材料中通过调控碱金属氧化物与玻璃相含量对玻璃网络结构及基体的储能性能进行进一步改性。一方面，本发明选择玻璃相为氧化硼，氧化硼可有效降低玻璃的粘度，加速了扩散和传质促进晶相的析出，获得高介电常数；另一方面，碱金属氧化物所提供的游离氧含量减少，使硼酸盐玻璃网络结构实现从层状结构的硼氧三角体向架状结构的硼氧四面体转变。层状结构的硼氧三角体中层与层通过范德华力连接，显然硼氧四面体的架状结构是玻璃网络结构紧密。紧密的玻璃网络结构有利于高击穿性能的获得。

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种具有低介电损耗高储能密度的结构紧密的硼酸盐玻璃陶瓷材料及其制备方法与应用，该方法原料高度均匀反应，利用率高，且制得的玻璃陶瓷材料具有紧密的玻璃网络结构、高的击穿场强和低的介电损耗。

为实现上述目的，本发明玻璃陶瓷采用的技术方案是：

低介电损耗高储能密度的结构紧密的硼酸盐玻璃陶瓷材料，其化学式为1-x(K₂O-Na₂O-2Nb₂O₅)-xB₂O₃，其中x为B₂O₃的取代量，0.10≤x≤0.30，其中x表示摩尔百分比。其玻璃陶瓷材料按配方经混合熔融、成型、退火及晶化处理制得。