含NaNbO3相的Na2O-K2O-Nb2O5-SiO2低介电损耗储能玻璃陶瓷制造技术

本发明专利技术涉及含NaNbO3相的Na2O‑K2O‑Nb2O5‑SiO2低介电损耗储能玻璃陶瓷材料，该微晶玻璃材料是由玻璃相和晶相经混合、熔融、冷却成型、退火及晶化热处理制得的；其中，按摩尔百分数计，玻璃相占20%，余量为晶相；晶相是由摩尔比为x：(1‑x)：1的Na2CO3、K2CO3、Nb2O5加热熔融得到的，0.7≤x≤1。本发明专利技术制得的铌酸钾钠基储能微晶玻璃材料介电损耗低；本发明专利技术加入的Na2CO3，不仅对铌酸钾钠系统调节晶相组成，并且对于析晶过程有一定的促进作用，形成利于高储能密度的NaNbO3相，最终得到高储能密度玻璃陶瓷材料。

【技术实现步骤摘要】
含NaNbO3相的Na2O-K2O-Nb2O5-SiO2低介电损耗储能玻璃陶瓷
本专利技术涉及玻璃陶瓷材料领域，特别涉及一种含NaNbO3相的Na2O-K2O-Nb2O5-SiO2低介电损耗储能玻璃陶瓷材料及其制备方法。
技术介绍
近年来，脉冲技术的发展以及更高的应用需求对材料的耐电击穿与储能性能提出了更加严苛的要求，因此作为储能介电材料一大分支的铁电玻璃陶瓷材料越来越受到科研工作者的青睐。铁电玻璃陶瓷主要依赖于其内部玻璃相的高击穿场强与铁电晶相的良好介电性能两者相互协调匹配，最终使得材料具有较大的储能密度。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（BaTiO3/(K,Na)NbO3）与钨青铜型（（Sr,Ba）Nb2O6、Ba2NaNb5O15）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，但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。NaNbO3相作为一种反铁电材料具有低的剩余极化，因此，在K2O-Na2O-Nb2O5-SiO2系统玻璃陶瓷材料中较多的形成NaNbO3相容易得到高储能密度的复合材料。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种含NaNbO3相的Na2O-K2O-Nb2O5-SiO2低介电损耗储能玻璃陶瓷及其制备方法，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，具有高的击穿场强、高的介电常数。为实现上述目的，本专利技术玻璃陶瓷采用的技术方案是：是由摩尔比为2x：2(1-x)：2：1（0.7≤x≤1）的Na2CO3、K2CO3、Nb2O5、SiO2配方经混合熔融、成型、退火及晶化处理制得的。本专利技术玻璃陶瓷材料的制备方法采用的技术方案是，包括如下步骤：1）按照40xNa2O-40(1-x)K2O-40Nb2O5-20SiO2（0.7≤x≤1）的摩尔比称取K2CO3，Na2CO3，Nb2O5以及SiO2并混合；2）将步骤1）中的混合物加热直至形成混合均匀的熔体；将熔体倒入模具成型，得到玻璃样品，再对玻璃样品进行退火处理；3）将经过退火处理的玻璃样品进行晶化处理，晶化处理是950℃保温，保温总时间为4h，得到K2O-Na2O-Nb2O5-SiO2系统玻璃陶瓷材料。进一步地，步骤2）中的加热温度为1450～1500℃。进一步地，步骤2）中的退火处理是在500～600℃保温8～11h。进一步地，步骤3）中的玻璃样品含有两个析晶温度，分别为750℃与950℃左右。进一步地，步骤3）中的析晶温度是玻璃基体样品经DSC差热分析测试确定的。与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：本专利技术制得的铌酸钾钠玻璃陶瓷材料气孔率极小，同时，由于形成玻璃需要网络形成体、网络外体以及网络中间体三部分，而所要制备的目标产物铌酸钾钠的原料中本身就具备碱金属氧化物K2O-Na2O，在玻璃系统中作为网络外体存在，破坏玻璃网络结构，因此简化了玻璃配方，不仅降低了成本也在根本上减少了析出杂相的种类。本专利技术还合理控制铁电铌酸钾钠晶体与玻璃含量的比例，生成高介电常数高击穿场强和低介电损耗的铁电玻璃陶瓷，介电常数可达180，击穿场强可达410kV/cm，介电损耗可降至0.073，使储能密度升高，可达1.434J/cm3。另外，由于在制备过程中为多形成NaNbO3相有实施例更多的加入了Na2CO3，因此这些实施例更易于破坏玻璃网络而易于析晶。本专利技术制备方法仅需要对各原料进行混合熔融、成型、退火和晶化处理，即可得到铌酸钾钠玻璃陶瓷材料，本专利技术采用熔融法，原料高度均匀反应，实验操作简单，且成型方法多，经过退火后能够有效消除内部应力，同时晶化处理时采用分段保温，让晶相生长更加完全，析晶更彻底，并利于得到内部晶粒更细、均匀化程度更高和储能密度更高的玻璃陶瓷。附图说明图1是本专利技术铌酸钾钠基玻璃材料的示差扫描量热分析（DSC）曲线；图2是本专利技术实施例1、实施例2、实施例3以及实施例4制备的铌酸钾钠基玻璃陶瓷材料的X-射线衍射（XRD）图谱；图3是本专利技术制备的铌酸钾钠基玻璃陶瓷材料的介电常数与介电损耗图。具体实施方式本专利技术的具体步骤如下：1）按照40xNa2O-40(1-x)K2O-40Nb2O5-20SiO2（0.7≤x≤1）的摩尔比称取K2CO3，Na2CO3，Nb2O5以及SiO2并混合，得到混合物；2）将石英坩埚随炉从室温加热至1000~1200℃时，开始加入混合物，然后继续加热到1450～1500℃，并保温50～60min，使混合物充分熔融且无气泡最后得到混合熔融料；室温下将混合熔融料在铜板模具上成型，再迅速放入炉中于500～600℃下退火8～11h，以消除内部应力，得到玻璃样品；3）通过取少量本专利技术制得的玻璃样品研成粉末做DSC示差扫描量热分析测试，得到玻璃样品含有一个950℃左右的析晶温度，参见图1，查阅文献此温度与NaNbO3析出有关。将上述玻璃样品在950℃保温，进行分段晶化处理，晶化处理的总时间为4h，然后随炉冷却到室温，得到K2O-Na2O-Nb2O5-SiO2系统玻璃陶瓷材料。以下结合具体实施例对本专利技术做进一步详细说明：实施例1：本实施例中玻璃样品的晶化处理：在950℃保温4h。本实施例玻璃陶瓷材料的制备方法包括如下步骤：1）本实施例铌酸钾钠玻璃陶瓷材料是由摩尔质量比为40x：40(1-x)：40：20（x=1），取Na2CO3，K2CO3，Nb2O5和SiO2混合。2）将石英坩埚随炉加热从室温至1100℃时，开始加入混合物，然后继续加热到1500℃，并在1500℃下保温60min使混合物熔融均匀，得到混合熔融料；将混合熔融料在铜板上成型，再迅速放入炉中于500℃下退火11h，得到退火后的玻璃基体；3）在708℃保温1h后继续在905℃保温4h然后随炉冷却到室温，得到K2O-Na2O-Nb2O5-SiO2-B2O3系统玻璃陶瓷材料。将本实施例得到的铌酸钾钠玻璃陶瓷用切割机切至厚度为0.1～0.2mm的薄片，薄片经打磨、清洗后，在薄片正反两面均匀涂覆银电极浆料，于600℃保温20分钟，得到待测玻璃陶瓷样品。实施例2：本实施例中玻璃样品的配方为40x：40(1-x)：40：20（x=0.9），并于1500℃下加料熔融且保温60min，其它条件同实施例1。实施例3：本实施例中玻璃样品的配方为40x：40(1-x)：40：20（x=0.8），其它条件同实施例2。实施例4：本实施例中玻璃样品的配方为40x：40(1-x)：40：20（x=0.7），其它条件同实施例2。图1为以上四个实施例的DSC图谱，可以看出750oC和950oC左右温度为两个析晶峰。在DSC测试中，析晶峰代表了在温度变化本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.含NaNbO3相的Na2O‑K2O‑Nb2O5‑SiO2低介电损耗储能玻璃陶瓷材料，其特征在于：包括晶相和玻璃相，所述晶相包括铌酸钾钠和铌酸钠，所述玻璃相为二氧化硅。

【技术特征摘要】
1.含NaNbO3相的Na2O-K2O-Nb2O5-SiO2低介电损耗储能玻璃陶瓷材料，其特征在于：包括晶相和玻璃相，所述晶相包括铌酸钾钠和铌酸钠，所述玻璃相为二氧化硅。2.根据权利要求1所述的一种含NaNbO3相的Na2O-K2O-Nb2O5-SiO2低介电损耗储能玻璃陶瓷材料，其特征在于：所述晶相由Na2CO3、K2CO3、Nb2O5按摩尔比x：(1-x)：1经熔融法处理得到，0.7≤x。3.根据权利要求1所述的一种含NaNbO3相的Na2O-K2O-Nb2O5-SiO2低介电损耗储能玻璃陶瓷材料，其特征在于：所述玻璃相的含量为玻璃陶瓷材料中总摩尔量的20%。4.一种含NaNbO3相的Na2O-K2O-Nb2O5-SiO2低介电损耗储能玻璃陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：Na2CO3、K2CO3、Nb2O5、及SiO2按摩尔比40x：40(1-x)：40：20混合，其中0.7≤x，加热熔融混合料，退火消除内应力，进行晶化热处理，得到含NaNbO3相的Na2O-K2O-Nb2O5-SiO2系统储能玻璃陶瓷材料。5.根据权利要求4所述的一种含NaNbO3相的Na2O-K2O-Nb2O5-SiO2低介电损...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒲永平，彭鑫，杜欣怡，师裕，张磊，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61