[发明专利]氧化镧掺杂铌酸锶钡基玻璃陶瓷储能材料及其制备方法

说明书

本发明涉及氧化镧掺杂铌酸锶钡基玻璃陶瓷储能材料及其制备方法，按20BaCO₃‑20SrCO₃‑20Nb₂O₅‑33.5SiO₂‑5Al₂O₃‑1.5B₂O₃‑xLa₂O₃(0≤x≤3)摩尔比进行配料，经滚磨混料后，烘干，再进行高温熔化，并将高温熔体快速浇注至铜模具中成型，在一定温度去应力退火，切割成玻璃薄片后受控析晶，制得氧化镧掺杂铌酸锶钡基玻璃陶瓷储能材料。这种氧化镧掺杂铌酸锶钡基玻璃陶瓷储能材料与同类材料相比机械加工性能优良，可以机械打磨加工成80μm厚度以下的薄片，便于后续小型化器件的加工，且这种玻璃陶瓷储能材料具有优异的介电性能和耐击穿场强性能。

技术领域

本发明属于电介质储能材料领域，尤其是涉及一种高储能、快速充放电、高转换效率的氧化镧掺杂铌酸锶钡基玻璃陶瓷储能材料及其制备方法。

背景技术

近年来，脉冲技术作为各种电子系统中的重要的组成部分，已广泛应用于电子计算机、电视、通信、雷达、遥测遥控、自动控制、无线电导航和测量技术等领域。评判一种脉冲功率系统的优越性，主要有两个参数，一是其存储能量的大小；二是其放电的速度。因此，其储存的能量成为评判脉冲功率系统好坏的主要参数。由于目前的介电材料储能密度较低，使得电容器体积过大，在整个脉冲功率系统中，储能装置的体积占据了整个逆变设备体积的40％左右。随着脉冲技术的不断发展，作为脉冲功率系统的核心技术，脉冲电源有着越来越高的要求，如轻量化、小型化，因而对脉冲功率设备中的储能元件的储能提出了更高的要求。提高储能装置的储能密度，快速充放电，高转换相率，成为脉冲功率系统轻量化、小型化的主要方法。随着科学技术的不断发展，储能电容器仍然具有较大的发展空间，目前提高其储能密度的关键是研发具有高储能、快速充放电、高转换效率的介电材料。因此，各国材料工作者正积极探索研究具有高介电常数、低接电损耗和高耐压强度的介质材料。

目前，铌酸锶钡基玻璃陶瓷储能材料是在高压高储能方面应用被认为是一种很有前途的新型储能材料，是采用高温熔融-快速冷却法制备出玻璃基体，再经过可控析晶法制备成。与传统铌酸锶钡陶瓷材料相比，铌酸锶钡基玻璃陶瓷具有一些很明显的优势，例如，晶粒细小基本已经达到纳米级别，结构致密，基本无孔洞，能大大提高耐击穿性能，在介电材料领域中拥有广阔的应用前景。然而与传统的玻璃材料相比，其又具有高介电常数特点，原因在于在玻璃基体中析出了高介电常数相铌酸锶钡。

虽然与传统的铁电陶瓷材料相比，铌酸锶钡基玻璃陶瓷材料一些很明显的优势，但是由于其微观结构中仍然存在着晶粒团聚现象，电荷聚集在玻璃基体和晶相界面出使得其耐击穿场强远低于理想值，充放电转换效率低；与传统的玻璃材料相比，虽然介电常数虽有较大的提高，但玻璃陶瓷容易析出低介电常数的相，这也使得其介电常数有所降低。综合起来影响其储能密度的提高。

目前，为了解决这类问题，有许多学者研究了添加氧化物对玻璃陶瓷储能特性的影响。Wang.X.R.等人研究了添加不同含量的MnO₂对铌酸锶钡玻璃陶瓷介电性能的影响，研究表明，随着MnO₂的逐渐增大，介电常数先增大后减少，同时铌酸锶钡玻璃陶瓷微观结构也有所改变(具体内容详见2012年第38卷Ceramics International第57至60页)；还有很多学者通过添加稀土氧化物来改善显微结构，提高介电常数和储能密度(具体内容详见2013年第96卷第2期Journal of American Ceramic Society第372至375页，2011年第65卷第4期Scripta Materialia第296至299页)。