本發明專利技術涉及一種新型鈮酸鹽基玻璃陶瓷儲能材料及其制備方法和應用，化學組成為[(Ba1?xSrx)2NaNb5O15]0.6?[SiO2]0.4，其中0≤x≤1。以BaCO3、SrCO3、NaCO3、Nb2O5、SiO2粉末為原料，按照設計的化學成分稱量好各組分的質量，經球磨混合均勻后加入坩堝中高溫熔化，將高溫熔體快速澆注至事先預熱的銅模具中除去應力，然后切成厚度為1.0mm的薄片；將玻璃薄片放入退火爐中進行受控析晶，通過控制玻璃原料成分和優化析晶工藝，制備的鈮酸鹽玻璃陶瓷具有較高的儲能密度和可靠性。與現有技術相比，本發明專利技術方法簡單，所制備的玻璃陶瓷材料經過試驗測試表明具有較高的儲能密度和較高的充放電效率，有望被用作新型儲能電容器材料。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于電介質儲能材料領域，尤其是涉及一種新型鈮酸鹽基玻璃陶瓷儲能材 料及其制備方法和應用。
技術介紹
為了滿足脈沖功率系統的小型化和輕量化的要求，作為核心部件的介電材料的 發展面臨更多挑戰，如何進一步提高電介質材料的儲能密度成為研究的焦點，各國材料工 作者正積極探索研究具有高介電常數、低接電損耗和高介電強度的介質材料。鈮酸鹽鐵 電玻璃陶瓷近年來由于其優異的介電性能在該領域引起了廣泛的關注。目前被廣泛研 究的主要有鈮酸鍶鋇（SrxBal-xNb206,X= 0. 25-0. 75)、偏鈮酸鉛（PbNb206)、鈮酸鋇鈉 (Ba2NaNb5015)、鈮酸鉀（KNb03)、鈮酸鈉（NaNb03)等體系。 在鈮酸鹽基玻璃陶瓷體系，目前報導的儲能密度較高的主要為偏鈮酸鉛 (PbNb206)基玻璃陶瓷體系，杜軍等人采用可控析晶的方法制備了NaNb03-PbNb206_Si02、 (Pb，3〇他206_似他03^02等體系玻璃陶瓷，通過優化制備工藝，得到了較高的儲能性 ft ()。但是，這些體系均 含有鉛，在高溫下鉛容易揮發，對環境又害。有文獻報道，肖特公司生產的AF45玻璃具有 極高的耐擊穿電壓，在實驗室測得其耐擊穿電壓達到12MV/cm，經測試AF45玻璃的最大儲 能密度達到了35J/cm3()，但是AF45玻璃的組成過于復雜， 而且該玻璃的粘度太大，很難在常規條件下制備。Zeng等人通過摻雜BaF2有效提高 了Ba0-Sr0-Nb205-B20 3體系玻璃陶瓷的介電常數，但是該體系的耐擊穿場強只有527Kv/ cm,因而儲能密度較低（)。本小組前期采用基于Ba0-B203_A1203-Si0 2作為玻璃相主要成分，制 備了銀酸鹽鐵電玻璃陶瓷（)，但是，由于玻璃基的組成過于復雜，不僅制備工藝更復 雜，而且在析晶過程中，很容易形成許多雜質相，從而影響玻璃陶瓷的儲能特性。 中國專利CN104671665A公開了低介電損耗的無鉛玻璃陶瓷及其制備方法，該 玻璃陶瓷的成分組成為：aBa0-bSr0-cNb205-dZn0_xSi02-yB203-zRE0,其中，a、b、c、d、X、y、z為摩爾比表示成分之間的摩爾比，RE0表示稀土氧化物；且滿足：0 < 10.35， 9. 97 彡b彡 20. 70, 20. 19 彡c彡 20. 70,14. 80 彡d彡 15. 50,14. 56 彡X彡 15. 00， 27. 51 <y< 28. 10,0 <z< 3. 00。根據玻璃陶瓷的成分組成選擇原料，按比例混合，高溫熔 融；將熔融均勻的玻璃液體快速倒入預熱的金屬模具中，冷卻成型，去應力退火；將得到的 玻璃片進行可控結晶處理即可。該體系主要結晶相為BaxSrixNb03，玻璃相為Zn0-Si02-B203， 但是由于該體系組分過于復雜，在樣品制備過程中容易導致成分不均勻，而且在析晶過程 中，容易生成很多雜質相，從而導致該系列樣品的擊穿場強較低，從該專利報導的擊穿強度 來看，所有樣品的擊穿強度均未超過200Kv/mm，遠遠低于本專利所涉及的a6- 。.4的擊穿強度值。
技術實現思路
本專利技術的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種提高玻璃陶瓷 的介電常數的同時也改善了耐擊穿場強的新型鈮酸鹽基玻璃陶瓷儲能材料及其制備方法 和應用。 本專利技術的目的可以通過以下技術方案來實現： 鈮酸鹽基玻璃陶瓷儲能材料，化學組成為Q.6-a4，其中 0 ^ X ^ 1〇 X的取值范圍優選為0· 1彡X彡0· 5。 X的取值范圍最優選為0.25。 新型鈮酸鹽基玻璃陶瓷儲能材料的制備方法，采用以下步驟： (1)以分析純的BaC03、SrC03、NaC03、Nb205、B203、A1203、Si02粉末為原料，按照儲能 材料的化學組成的配方備料； (2)以無水乙醇作為分散劑，采用瑪瑙球并將上述組分置于球磨罐中球磨，并將混 合均勻的漿料烘干； (3)將烘干后的玻璃原料加入坩堝中高溫熔化，然后將高溫熔體快速澆注至事先 預熱的銅模具中，制得無析晶的透明玻璃塊體，將玻璃塊體放入退火爐中去應力退火； (4)利用切片機將透明玻璃塊體切成薄片；將玻璃薄片放入退火爐中進行受控析 晶，退火爐的升溫速率為3-5°C/min，析晶溫度為800-1100°C，保溫時間為l_3h，即制備得 到鈮酸鹽基玻璃陶瓷儲能材料。 步驟（2)中球磨混料的時間為10~20h。 步驟（3)在高溫熔化過程中，玻璃爐的升溫速率為1-2 °C/min，在800 °C保 溫3h，高溫熔化的溫度為1400~1600°C，高溫熔化的時間為2~5h，銅模具事先預熱 至500-650 °C，優選600°C;然后將玻璃塊體放入退火爐中去應力，去應力保溫溫度為 500-650°C，優選600°C;保溫時間為3-5h，保溫結束后隨爐冷卻。 步驟⑷進行受控析晶時，退火爐的升溫速率為3-5°C/min，析晶溫度為 800-1100 °C，保溫時間為2-3h，保溫結束后隨爐冷卻。 新型鈮酸鹽基玻璃陶瓷儲能材料可以應用在儲能電容器材料領域。與現有技術 相比，本專利技術玻璃陶瓷的介電性能是由玻璃相和晶相性能協同作用的結果。玻璃相的存 在使得微晶玻璃具有較高的擊穿場強，而晶相的構成和含量對材料的介電常數等有重要 的影響。玻璃陶瓷具有較高的擊穿場強，如何能夠在保持高的耐壓特性上提高材料的介 電常數等成為研究的難點。本專利技術采用基于Si02作為玻璃相，以Ba0(Sr0)-Na20-Nb205作 為陶瓷相，通過熔體快淬的方法制備玻璃塊體，切片以后通過可控析晶的方法制備鈮酸 鹽鐵電玻璃陶瓷，通過調節玻璃相與陶瓷相的比例，利用玻璃的熱力學性質，采用優化的 析晶工藝，將特定組分的玻璃在一定條件下進行晶化處理，使原本均勻、致密無缺陷的玻 璃相形成含有大量高介電常數的鐵電陶瓷微晶相和玻璃相均勾分布的復合材料。組分 6似20-188&0-63抑-30他205-403丨0 2玻璃經過1000°C析晶的玻璃陶瓷樣品經測試，室溫下該 樣品的介電常數為81，擊穿場強為1212KV/cm，通過計算，其儲能密度達到5. 27J/cm3。【附圖說明】 圖1為實施例1-5中制備得到產品在1000°C析晶后的XRD譜； 圖2為實施例2制備得到產品經不同溫度析晶后的XRD譜； 圖3為實施例1-5中制備得到產品在KKKTC析晶后介電常數隨溫度變化曲線； 圖4為實施例1-5中制備得到產品在1000°C析晶后的耐擊穿場強； 圖5為實施例1-5中制備得到產品在1000°C析晶后的活化能與擊穿場強。【具體實施方式】 下面結合附圖和具體實施例對本專利技術進行詳細說明。實施例 1(X= 0) 高儲能密度的鈮酸鹽玻璃陶瓷6Na20-24Ba0-30Nb205_40Si02 (1)以分析純的BaC03、NaC03、Nb205、Si02粉末為原料，按照設計的化學成分6Na20 -24Ba0-30Nb205-40Si02稱量好各組分的質量，樣品總質量為80-100克。 (2)選用無水乙醇作為分散劑，采用瑪瑙球在聚四氟乙烯球磨罐中球磨，轉速為 50-60轉/min,將混合均勻的漿料烘干。球磨的時間為20~30h，球磨時的本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種新型鈮酸鹽基玻璃陶瓷儲能材料，其特征在于，該儲能材料的化學組成為[(Ba1?xSrx)2NaNb5O15]0.6?[SiO2]0.4，其中0≤x≤1。
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：翟繼衛，薛雙喜，沈波，
申請(專利權)人：同濟大學，
類型：發明
國別省市：上海;31
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