一种降低铌酸盐基玻璃陶瓷高压电容器器件介电损耗的方法技术

本发明专利技术公开了一种降低铌酸盐基玻璃陶瓷高压电容器器件介电损耗的方法，在玻璃陶瓷的原料中添加氧化铝，所添加的氧化铝与二氧化硅的摩尔比为0.1％-5％。铌酸盐基玻璃陶瓷的成分组成为：xPbO-ySrO-zNb2O5-wNa2O-vSiO2，其中的x、y、z、w、v表示各成分的摩尔数，且5≤x≤7，9≤y≤11，30≤z≤33，15≤w≤18，25≤v≤35。本发明专利技术通过添加氧化铝来改善玻璃相性能，在不改变原有制备工艺条件下提高了玻璃相绝缘电阻，降低了玻璃相的电导损耗，宏观上降低了铌酸盐基玻璃陶瓷高压电容器的介电损耗。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种降低铌酸盐基玻璃陶瓷高压电容器器件介电损耗的方法。
技术介绍
电力系统使用的高压电容器，一般用在计量、储能、分压等设备中，如互感器、断路器、避雷器、高压计量箱等。对于像电压互感器这样测量精度要求高的设备，其核心部件是电压传感器，对传感器中的电容器分压元件提出了较高要求：不仅要求交流耐压高，电容随温度变化率低，局部放电量低，还要求电容器介电损耗低。目前，采用可控结晶技术制备的铌酸盐基玻璃陶瓷具有较高的介电常数，同时由于低缺陷无孔隙的结构特点，使其具有较高的电击穿强度以及很低的局部放电特性。但是玻璃陶瓷的介电损耗一般大于常规烧结陶瓷，不能满足像互感器这样测量精度高的设备的性能要求。现有铌酸盐基玻璃陶瓷高压电容器器件的介电损耗为0.013，损耗过高长时间工作环境下不断产生热量，如果产生的热量大于环氧封装材料散出去的热量，高压电容器在工作环境下温度不断升高，直至热损坏。因此铌酸盐基玻璃陶瓷高压电容器的损耗严重制约其在高精度设备中的运用。
技术实现思路
基于此，本专利技术的目的在于提供一种降低铌酸盐基玻璃陶瓷高压电容器器件介电损耗的方法。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种降低铌酸盐基玻璃陶瓷高压电容器器件介电损耗的方法，在玻璃陶瓷的原料中添加氧化铝，所添加的氧化铝与二氧化硅的摩尔比为0.1％-5％。所述铌酸盐基玻璃陶瓷的成分组成为：xPbO-ySrO-zNb2O5-wNa2O-vSiO2，其中的x、y、z、w、v表示各成分的摩尔数，且5≤x≤7，9≤y≤11，30≤z≤33，15≤w≤18，25≤v≤35。根据本专利技术，可以采用常规的玻璃陶瓷工艺，添加不同含量的Al2O3，然后通过可控结晶来制备低损耗铌酸盐基玻璃陶瓷高压电容器，例如，可采用以下具体工艺步骤：(1)将纯度大于99.5％的PbO、SrCO3、Nb2O5、NaCO3，SiO2及Al2O3按比例装入混料罐中，在翻转式混料机中混料4h；(2)将混料均匀的物料加入铂金坩埚于1370℃熔炼2h；(3)将熔融的玻璃通过模具浇注，快速冷却，得到均匀透明的玻璃基片；(4)通过可控结晶工艺，制备得到具有高介电特性的铌酸盐基玻璃陶瓷复合材料；(5)将制备所得的铌酸盐基玻璃陶瓷复合材料双面研磨、抛光后，通过丝网印刷技术制备银电极，于600℃进行电极烧结，焊接铜电极，进行真空环氧封装技术，制备出铌酸盐基玻璃陶瓷高压电容器。本专利技术选择在玻璃陶瓷原料中加入氧化铝来降低铌酸盐基玻璃陶瓷损耗基于以下几个原因：(1)铌酸盐基玻璃陶瓷高压电容器具有耐压高、电容量大、局部放电低、温度稳定性好等优良特性。主要原因是基体玻璃通过可控结晶技术可以析出高介电常数的PbNb2O6、SrNb2O6、NaNbO3等铁电陶瓷相，由于高介电常数的铁电陶瓷相NaNbO3和高击穿场强SiO2玻璃相的存在，从而铌酸盐基玻璃陶瓷作为电介质的电容器同时具有介电常数和高的击穿场强。而且铌酸盐基玻璃陶瓷材质致密无孔，从而局部放电低(＜3pC(30kVAC条件下))。高介电常数的NaNbO3相居里温度为480℃，远高于工业运用温度范围(-35～80℃)，相应温度变化率为-3.5，+1.9％(标准25℃)。但是铌酸盐基玻璃陶瓷高压电容器器件的损耗为0.013，偏高。分析铌酸盐基玻璃陶瓷高压电容器损耗来源主要有两方面：一方面是电极焊接等部位非理想连接状态产生能量损失，另一方面则为电容器中电介质本身产生的能量损失，这部分能量损失是玻璃陶瓷基高压电容器损耗的主要来源。因此本专利技术针对铌酸盐基玻璃陶瓷高压电容器的电介质-铌酸盐基玻璃陶瓷进行改性，降低其介电损耗，从而降低高压电容器的宏观损耗。(2)对玻璃陶瓷电介质损耗来源进行分析，一方面电介质在电场作用下产生极化，电子位移极化、离子位移极化建立的时间都非常短(10-14～10-15s)，从电工频率50Hz到超高频1012Hz，位移极化经历时间与外电场的交变周期相比很短，所以一般工业测试中1kHz条件下，不会产生电子及离子位移极化损耗。而针对热离子松弛极化、偶极子转向极化，这两种极化所需时间较长，一般为10-2～10-8s，这部分损耗一般不可忽视。铌酸盐玻璃陶瓷与其它烧结陶瓷损耗进行类比，铁电烧结陶瓷产生的偶极子转向极化损耗也远远低于铌酸盐玻璃陶瓷整体损耗0.013。所以铌酸盐玻璃陶瓷如此高的介电损耗必定还有其它来源。另一方面，铌酸盐玻璃陶瓷除了高介电陶瓷相外，还存在SiO2玻璃相，按照理论设计玻璃相为纯SiO2，但是实际结晶过程中，Na+不可能完全从玻璃中结晶析出，因此Na+作为弱联系导电载流子，在电场作用下做定向移动，这部分传导电流以热的形式消耗掉，即产生电导损耗，从而使得玻璃陶瓷基电容器损耗较大。(3)根据德国学者W.H.Zachariasen对玻璃结构理论提出的无规则网络学说，石英玻璃基本结构为硅氧四面体[SiO4]，各硅氧四面体通过顶点连接成为三维网络结构。常温下，玻璃中作为硅氧骨架的阴离子基团在外电场作用下几乎没有移动能力，而填充在硅氧四面体间隙中的Na+则可在电场下定向移动，从而导致较大电导损耗。例如，石英玻璃200℃时电阻率为1017Ω·cm，当加入0.04×10-6Na+后，在300℃时电阻率降为1013Ω·cm；Na+为20×10-6时，电阻率降低至5×109Ω·cm。因此玻璃陶瓷结晶过程中，残留Na+对损耗极其不利。一方面我们可以通过控制结晶来促使Na+全部从玻璃体中结晶析出，但实验证明此方案对损耗的改善有限，无法使Na+百分之百的从玻璃相中结晶析出。本专利技术通过添加高场强低离子半径的Al3+来改善硅氧四面体[SiO4]结构，少量Al3+的存在，因其离子半径(0.0535nm)小于Na+(0.102nm)，而且核外电子多，Al-O键强大于Na-O，因此适量Al3+的存在能阻碍Na+的自由迁移。本发明通过添加合适的含量的Al3+来阻碍玻璃相中的Na+自由迁移，降低玻璃相中电导损耗，从而降低复合材料的介电损耗，并以此实现降低玻璃陶瓷基高压电容器器件整体的宏观介电损耗。本专利技术的优点在于：(1)本专利技术通过添加氧化铝来改善玻璃相性能，在不改变原有制备工艺条件下提高了玻璃相绝缘电阻，降低了玻璃相的电导损耗，宏观上降低了铌酸盐基玻璃陶瓷高压电容器的介电损耗。(2)本专利技术通过添加氧化铝，增加了玻璃陶瓷结晶激活能，避免了高压电容器核心电介质生产过程中，制备玻璃过程产生不可控结晶，从而有本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种降低铌酸盐基玻璃陶瓷高压电容器器件介电损耗的方法，其特征在于，在玻璃陶瓷的原料中添加氧化铝，所添加的氧化铝与二氧化硅的摩尔比为0.1％‑5％。

【技术特征摘要】
1.一种降低铌酸盐基玻璃陶瓷高压电容器器件介电损耗的方法，其特征在
于，在玻璃陶瓷的原料中添加氧化铝，所添加的氧化铝与二氧化硅的摩尔比为
0.1％-5％。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铌酸盐...

【专利技术属性】
技术研发人员：周昊，唐群，张庆猛，
申请(专利权)人：北京有色金属研究总院，
类型：发明
国别省市：北京;11