高储能密度的铌酸钡钾基玻璃陶瓷储能材料及制备和应用制造技术

本发明专利技术涉及一种高储能密度的铌酸钡钾基玻璃陶瓷储能材料及其制备和应用，玻璃陶瓷储能材料由SiO2玻璃组分和陶瓷颗粒组分组成，陶瓷颗粒组分包括钙钛矿相的KNbO3，以及乌青铜相的BaNb2O6和Ba2KNb5O15，玻璃陶瓷储能材料中，各化学成分符合化学通式：32xBaO·32(1‑x)K2O·32Nb2O5·36SiO2，其中，x的取值范围为0.5～0.9；上述储能材料通过以下步骤制得：(1)称取BaCO3、K2CO3、Nb2O5和SiO2混合均匀，高温熔化，制得高温熔体；(2)将高温熔体浇注至预热后的金属模具中，去应力退火，制得透明玻璃，切片得到玻璃薄片；(3)将玻璃薄片进行受控析晶，即制得目的产物；铌酸钡钾基玻璃陶瓷储能材料用于储能电容器材料。与现有技术相比，本发明专利技术具有制备工艺简单，玻璃陶瓷储能材料储能密度高等优点。

【技术实现步骤摘要】
高储能密度的铌酸钡钾基玻璃陶瓷储能材料及制备和应用
本专利技术涉及电介质储能材料领域，尤其是涉及一种高储能密度的铌酸钡钾基玻璃陶瓷储能材料及制备和应用。
技术介绍
随着工业的发展，能源需求不断增加，面对能源危机，提高能源利用率和开发新能源成为科学研究的重要问题。为了提高能源利用率，各种储能技术和储能材料应运而生，其中高储能电容器相当重要，它是常用的电路元器件。对于储能电容器，它具有储能密度高、充放电速度快、利用率高、性能稳定等重要特性。近年来，脉冲功率技术已广泛应用于电子计算机、通信、雷达、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
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。与传统陶瓷材料相比，铌酸钡钾基玻璃陶瓷具有一些明显的优势，例如，体系简单、制备不复杂，耐击穿场强高，在介电材料领域中拥有广阔的应用前景。铌酸钡钾及玻璃陶瓷兼具有铌酸钾的高介电常数特点和铌酸钡的高耐击穿场强及优异的温度稳定性特点。研究结果表明，铌酸钡钾基玻璃陶瓷具有较高的储能密度。目前，用于电容器、脉冲技术等的储能材料的储能密度还比较小，仍然存在极大的发展空间。为了提高材料的储能密度，许多学者对钛酸盐和铌酸盐玻璃陶瓷介电性能和储能特性进行了广泛的研究。其中，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)。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)。而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)。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)以及掺稀土金属镧对铌酸钡锶硼基玻璃陶瓷储能的影响，储能密度达到(CeramicsInternational，2016，42，1827-1832)。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。目前为止，尽管人们对电介质储能材料进行了广泛的研究，但是所报道的玻璃陶瓷储能材料的储能密度还不足够大。中国专利ZL201310185574.6公开了一种高储能密度的钛酸锶钡基玻璃陶瓷储能材料及制备和应用，该玻璃陶瓷储能材料的化学成分符合化学通式100wt％(BaxSr1-xTiO3-aAl2O3-bSiO2)+ywt％(BaxSr1-x)TiO3，其中，x＝0.4～0.6、(a+b)/(2+a+b)＝0.3～0.35、a/b＝0.5～1.0、y＝0～200；首先以BaCO3、SrCO3、TiO2、SiO2、Al2O3为原料，经球磨混料后烘干，高温熔化，直接倒入去离子水中，得到BaxSr1-xTiO3-aAl2O3-bSiO2粉体，烘干后球磨并过筛；通过共沉淀法合成(BaxSr1-x)TiO3粉体，将BaxSr1-xTiO3-aAl2O3-bSiO2粉体和(BaxSr1-x)TiO3粉体配料，均匀搅拌，造粒，压制成陶瓷生坯片；将陶瓷生坯片经过排粘处理后，烧结，保温后即得。上述专利制备方法虽然简单，但是其制得的储能材料的储能密度还是相对比较低。
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高储能密度的铌酸钡钾基玻璃陶瓷储能材料及制备和应用。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钡钾基玻璃陶瓷储能材料，该玻璃陶瓷储能材料由SiO2玻璃组分和陶瓷颗粒组分组成，所述的陶瓷颗粒组分包括钙钛矿相的KNbO3，以及乌青铜相的BaNb2O6和Ba2KNb5O15，所述的玻璃陶瓷储能材料中，各化学成分符合化学通式：32xBaO·32(1-x)K2O·32Nb2O5·36SiO2，其中，x的取值范围为0.5～0.9。x的取值为0.8。高储能密度的铌酸钡钾基玻璃陶瓷储能材料制备方法，包括以下步骤：(1)称取BaCO3、K2CO3、Nb2O5和SiO2混合均匀，高温熔化，制得高温熔体；(2)将步骤(1)制得的高温熔体浇注至金属模具中，去应力退火，制得透明玻璃，切片得到玻璃薄片；(3)将步骤(3)制得的玻璃薄片进行受控析晶，即制得目的产物。步骤(1)中混合的工艺条件为：添加酒精润湿原料后，球磨混料10～20h，烘干，即得混合料。步骤(1)中高温熔化的工艺条件为：在1400～1600℃下高温熔化1～5h。步骤(2)中去应力退火的温度为550～700℃，时间为4～8h。所述的玻璃薄片的厚度为0.9～1.2mm。步骤(3)中受控析晶的工艺条件为：温度为650～1100℃，保温时间为2～6h。高储能密度的铌酸钡钾基玻璃陶瓷储能材料用于储能电容器材料。本专利技术首先通过将按比例称取的BaCO3、K2CO3、Nb2O5和SiO2高温熔融成均匀混合的液体，然后在650℃下去应力退火，成为机械加工性能好的透明玻璃体。然后，通过受控析晶，使得BaO、K2O和Nb2O5相互反应生成了陶瓷颗粒，主要是介电常数高的钙钛矿相的KNbO3，以及乌青铜相的BaNb2O6和Ba2KNb5O15，最后得到了具有高耐击穿场强性能和高介电常数复合的玻璃陶瓷材料。不同的的陶瓷颗粒组分和析晶温度下生成的陶瓷颗粒多少、大小、均匀性不同，造成的介电常数和耐击穿场强大小也不同。对于颗粒小、结构均匀的陶瓷材料的耐击穿就会较大，相应的储能密度就会提高。本专利技术基于32mol％(xBaCO3、(1-x)K2CO3)-32mol％Nb2O5-36mol％SiO2配料，其中x＝0.5～0.9，通过调整BaCO3和K2CO3摩尔比之后的玻璃陶瓷，耐击穿场强显著提高。特别的，当x＝0.8时，析晶温度为900℃，耐击穿场强达到最优值2096kV/cm，理论储能密度达到12.06J/cm3。而x＝0.8时，析晶温度为800℃，储能密度达到较大值为13.82J/cm3。与现有技术相比，本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高储能密度的铌酸钡钾基玻璃陶瓷储能材料，其特征在于，该玻璃陶瓷储能材料由SiO2玻璃组分和陶瓷颗粒组分组成，所述的陶瓷颗粒组分包括钙钛矿相的KNbO3，以及乌青铜相的BaNb2O6和Ba2KNb5O15，所述的玻璃陶瓷储能材料中，各化学成分符合化学通式：32xBaO·32(1‑x)K2O·32Nb2O5·36SiO2，其中，x的取值范围为0.5～0.9。

【技术特征摘要】
1.一种高储能密度的铌酸钡钾基玻璃陶瓷储能材料，其特征在于，该玻璃陶瓷储能材料由SiO2玻璃组分和陶瓷颗粒组分组成，所述的陶瓷颗粒组分包括钙钛矿相的KNbO3，以及乌青铜相的BaNb2O6和Ba2KNb5O15，所述的玻璃陶瓷储能材料中，各化学成分符合化学通式：32xBaO·32(1-x)K2O·32Nb2O5·36SiO2，其中，x的取值范围为0.5～0.9。2.根据权利要求1所述的一种高储能密度的铌酸钡钾基玻璃陶瓷储能材料，其特征在于，x的取值为0.8。3.如权利要求1或2所述的高储能密度的铌酸钡钾基玻璃陶瓷储能材料制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)称取BaCO3、K2CO3、Nb2O5和SiO2混合均匀，高温熔化，制得高温熔体；(2)将步骤(1)制得的高温熔体浇注至金属模具中，去应力退火，制得透明玻璃，切片得到玻璃薄片；(3)将步骤...

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