高储能密度的铌酸锶钠基玻璃陶瓷储能材料及制备与应用制造技术

本发明专利技术涉及一种高储能密度的铌酸锶钠基玻璃陶瓷储能材料及其制备方法与应用，该铌酸锶钠基玻璃陶瓷储能材料包括SrO、Na2O、Nb2O5、SiO2四种成分，且四种物质的摩尔比为SrO：Na2O：Nb2O5：SiO2＝42x：42(1-x)：28:30，通过以下步骤制得：称取原料，经球磨混料后，烘干，并进行高温熔化，制得高温熔体；然后将其浇注至预热的金属模具中，去应力退火，制得透明玻璃，切割成厚度为0.9～1.2mm的玻璃薄片，进行受控析晶，即制得产品，该产品可应用于储能电容器材料。与现有技术相比，本发明专利技术制备方法简单，无需复杂的后处理步骤，经济实用，制得的玻璃陶瓷储能材料具有较高的耐击穿场强为2402kV/cm，而且材料的储能密度得到显著提高，其值为16.86J/cm3，可应用于储能电容器材料。

High energy storage density sodium strontium niobate based glass ceramic energy storage material and preparation and application thereof

The invention relates to a high energy storage density of sodium strontium niobate based glass ceramic materials and preparation method and application thereof, the sodium strontium niobate based glass ceramic materials including SrO, Na2O, Nb2O5, SiO2 four components, and the molar ratio of four substances was SrO:Na2O:Nb2O5:SiO2 = 42x:42 (1-x):28:30 and through the following steps: preparing raw materials by ball milling, mixing, drying, and high melting temperature, high temperature melt prepared; then the metal mold casting to preheating, stress relief annealing, made of transparent glass, cut into 0.9 ~ 1.2mm thickness of glass sheet, controlled analysis crystal, prepare the product, the product can be applied to a storage capacitor material. Compared with the prior art, the invention has simple preparation method, no complex postprocessing steps, economical and practical, glass ceramic prepared materials for energy storage with high breakdown field strength is 2402kV/cm, and the material storage density was increased significantly, its value is 16.86J/cm3, which can be applied to the energy storage capacitor materials.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电介质储能材料领域，具体涉及一种高储能密度的铌酸锶钠基玻璃陶瓷储能材料及制备与应用。
技术介绍
近年来，脉冲功率技术在全电动军舰、电磁轨道炮武器、混合动力汽车、受控激光核聚变等国防及现代工业
中得到了广泛的应用。在脉冲技术中，电容器是脉冲功率系统优先选择的重要的储能元件。介电储能电容器在高储能密度、快速充放电性能以及稳定性等方面的要求越来越高。因此，这就需要探寻具有高储能密度的电解质材料，从而制造出能量密度高、性能好的电容器。现有材料的储能密度，还未出现明显突破，而储能装置的体积在整个脉冲装置中占有很大一部分，这也大大制约了脉冲装置向小型化、轻型化的发展。因此，目前为了满足脉冲功率系统的小型化和高储能密度的要求，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。玻璃陶瓷是采用高温熔融-快速冷却法制备出玻璃基体，再经过可控析晶法制备成玻璃陶瓷。目前，许多学者通过优化组分来研究玻璃陶瓷介电性能和储能特性的影响。ShuangxiXue等人研究了钡钠比对铌酸钡钠基玻璃陶瓷材料储能性能的影响，研究表明，当钡钠比达到合适比例时，储能密度达到最大5.12J/cm3(ShuangxiXue,etal.CeramicsInternational，2014，40:7495-7499)，以及添加稀土对铌酸钡钠基玻璃陶瓷性能的影响，其中储能密度最大值达到8.4J/cm3(ShuangxiXue,etal.CeramicsInternational，2015，41：S441-S446)；而JunDu等人研究的铌酸钡钠基玻璃陶瓷的储能密度为1.87J/cm3(J.Phys.:Conf.Ser.，2009，152:0212061)。ShiXiao研究了铌酸锶钾铝硅玻璃陶瓷材料的晶化行为和介电性能，他们发现，体系随着这温度的增加耐击穿场强减小而介电常数先增加后减小，相应的储能密度先增加后减小，最大储能密度为4.41J/cm3。D.F.Han等人通过改变锶铅比对铌酸盐玻璃陶瓷储能性能进行了优化，研究发现，随着锶铅比增加，介电常数先增大后减小，耐击穿场强一直减小，相应的玻璃陶瓷材料的储能密度先增大后减小，当锶铅比达到合适的比时，储能密度达到最大为2.27J/cm3(CeramicsInternational，2012，38:6903-6906)。GuohuaChen等人研究了铌酸钡锶钠硼硅玻璃的储能密度为4J/cm3(Journalofelectronceramics,2011,27:78-82)。与传统陶瓷材料相比，铌酸锶钠基玻璃陶瓷具有一些明显的优势，如何将铌酸锶钠基玻璃陶瓷用于储能材料的开发上，成为研究的热点。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种储能密度高、耐击穿性能好的高储能密度的铌酸锶钠基玻璃陶瓷储能材料及制备与应用。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种高储能密度的铌酸锶钠基玻璃陶瓷储能材料，该铌酸锶钠基玻璃陶瓷储能材料包括SrO、Na2O、Nb2O5、SiO2四种成分，且四种物质的摩尔比为SrO：Na2O：Nb2O5：SiO2＝42x：42(1-x)：28:30。所述的x的值为0.5～0.9。一种如上述高储能密度的铌酸锶钠基玻璃陶瓷储能材料的制备方法，该方法包括以下几个步骤：(1)以SrCO3、Na2CO3、Nb2O5和SiO2，作为原料，按摩尔比为SrO：Na2O：Nb2O5：SiO2＝42x：42(1-x)：28:30，所述的x的值为0.5～0.9称取原料；(2)原料经球磨混料后，烘干，并进行高温熔化，制得高温熔体；(3)将步骤(2)所得的高温熔体浇注至预热的金属模具中，去应力退火，制得透明玻璃，并将该透明玻璃切割成厚度为0.9～1.2mm的玻璃薄片；(4)将步骤(3)制得的玻璃薄片进行受控析晶，即制得所述的铌酸锶钠基玻璃陶瓷储能材料。所述的SrCO3、Na2CO3、Nb2O5和SiO2的纯度大于99wt％；步骤(2)所述的球磨混料的时间为16h，所述的高温熔化的温度为1500℃，高温熔化的时间为3h；优选步骤(2)中添加酒精的目的为使原料保持湿润，更容易球磨混料；经高温融化后的SrCO3、Na2CO3分解成SrO和Na2O，成为铌酸锶钠基玻璃陶瓷储能材料的一部分。步骤(3)所述的去应力退火的温度为600℃，所述的去应力退火的时间为5h。步骤(4)所述的受控析晶的温度为800℃～1000℃，保温时间为3h。一种上述高储能密度的铌酸锶钠基玻璃陶瓷储能材料的应用，该铌酸锶钠基玻璃陶瓷储能材料应用于储能电容器材料。本专利技术基于42mol％(xSrCO3、(1-x)Na2CO3)-28mol％Nb2O5-30mol％SiO2配料，其中x＝0.5～0.9；通过调整SrCO3和Na2CO3摩尔比之后的玻璃陶瓷，物相结构与显微结构明显改善，以及耐击穿场强显著提高，当x＝0.8时，耐击穿场强达到最优值2402kV/cm，理论储能密度达到16.86J/cm3。与现有技术相比，本专利技术的有益效果体现在以下几方面：(1)通过改变陶瓷成分配比，能够有效减少杂相，改善显微结构，提高陶瓷玻璃的致密度，从而改善了耐击穿场强，所以使其储能密度得到明显提高；(2)体系简单，制备方法简单，无需复杂的后处理步骤，经济实用，制得的铌酸锶钠基玻璃陶瓷储能材料的晶相结构规整，基本无枝状晶体生成，具有优异的耐击穿场强性能，储能密度得到显著提高。附图说明图1是实施例1～4的铌酸锶钠基玻璃陶瓷材料的X射线衍射分析图(XRD)；图2是实施例1～4的铌酸锶钠基玻璃陶瓷材料的SEM图；图3是实施例1～4的铌酸锶钠基玻璃陶瓷材料的介电温谱和介电损耗图；图4是实施例1～4的铌酸锶钠基玻璃陶瓷的耐击穿场强的Weibull分布图；图中，εr为介电常数，tanδ为介电损耗，Ei为第i个测试样品的耐击穿场强，n为耐击穿场强值的总和，Eb为通过Weibull分布得到的耐击穿场强。具体实施方式下面对本专利技术的实施例作详细说明，本实施例在以本专利技术技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。在整个说明书中所使用的缩写具有下述含义，除非文中明显另有所指：℃＝摄氏度，kV＝千伏特，cm＝厘米；mol＝摩尔，h＝小时；min＝分钟，mol％＝摩尔百分比。各种原料和试剂均购自商业供应商，未经进一步纯化，除非另有说明。易受潮的原料和试剂均存放于本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高储能密度的铌酸锶钠基玻璃陶瓷储能材料，其特征在于，该铌酸锶钠基玻璃陶瓷储能材料包括SrO、Na2O、Nb2O5、SiO2四种成分，且四种物质的摩尔比为SrO：Na2O：Nb2O5：SiO2＝42x：42(1‑x)：28:30，所述的x的值为0.5～0.9。

【技术特征摘要】
1.一种高储能密度的铌酸锶钠基玻璃陶瓷储能材料，其特征在于，该铌酸锶钠基玻璃
陶瓷储能材料包括SrO、Na2O、Nb2O5、SiO2四种成分，且四种物质的摩尔比为SrO：Na2O：Nb2O5：
SiO2＝42x：42(1-x)：28:30，所述的x的值为0.5～0.9。
2.一种如权利要求1所述高储能密度的铌酸锶钠基玻璃陶瓷储能材料的制备方法，其
特征在于，该方法包括以下几个步骤：
(1)以SrCO3、Na2CO3、Nb2O5和SiO2，作为原料，按摩尔比为SrO：Na2O：Nb2O5：SiO2＝42x：42
(1-x)：28:30，所述的x的值为0.5～0.9称取原料；
(2)原料经球磨混料后，烘干，并进行高温熔化，制得高温熔体；
(3)将步骤(2)所得的高温熔体浇注至预热的金属模具中，去应力退火，制得透明玻璃，
并将该透明玻璃切割成厚度为0.9～1.2mm的玻璃薄片；
(4)将步骤(3)制得的玻璃薄片进行受控析晶，即制得所述的铌酸锶钠基玻璃陶瓷储能...

【专利技术属性】
技术研发人员：王海涛，翟继卫，刘金花，沈波，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海;31