一种铌酸锶钡钾基玻璃陶瓷储能材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术涉及一种铌酸锶钡钾基玻璃陶瓷储能材料及其制备方法与应用，所述的制备方法具体包括以下步骤：以SrCO3、BaCO3、K2CO3、Nb2O5、SiO2为原料，按摩尔比25.6mol％[xSrCO3+(1‑x)BaCO3]‑6.4mol％K2CO3‑32mol％Nb2O5‑36mol％SiO2进行配料，其中x取值范围为0.2‑1；将配料经球磨混料后，烘干，并进行高温熔化，制得高温熔体；将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玻璃薄片；将玻璃薄片进行受控析晶，即制得所述的铌酸锶钡钾基玻璃陶瓷储能材料，该铌酸锶钡钾基玻璃陶瓷储能材料应用于储能电容器材料。与现有技术相比，本发明专利技术通过在铌酸钡钾体系中添加锶制备的玻璃陶瓷储能材料不但具有较高的储能密度(17.28J/cm3)，较均匀致密的微观结构，而且具有较低的介电损耗角的正切值(0.006)。

Potassium strontium barium niobate based glass ceramic energy storage material and preparation method and application thereof

The invention relates to a strontium barium niobate potassium based glass ceramic materials and preparation method and application thereof. The preparation method comprises the following steps of: SrCO3, BaCO3, K2CO3, Nb2O5 and SiO2 as raw materials, molar of 25.6mol%[xSrCO3+ (1 x) BaCO3] 6.4mol%K2CO3 32mol%Nb2O5 36mol%SiO2 ingredients among them, the value range of X is 0.2 1; after mixing the ingredients by ball milling, drying, and high melting temperature, high temperature melt prepared metal mold; high temperature melt pouring to preheating, stress relief annealing, made of transparent glass, and cutting the transparent glass into glass sheets; the glass sheet controlled crystallization of strontium barium niobate potassium based glass ceramic capacitor to obtain the material, the strontium barium niobate potassium based glass ceramic materials used in energy storage capacitor materials. Compared with the prior art, the invention by adding glass ceramics prepared in the storage of strontium barium niobate potassium system can material not only has high energy density (17.28J/cm3), the microstructure is uniform and dense, and has a low dielectric loss tangent angle value (0.006).

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电介质储能材料
，涉及一种铌酸锶钡钾基玻璃陶瓷储能材料及其制备方法与应用。
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锶钡钾基玻璃陶瓷具有一些明显的优势，例如，制备不复杂、耐击穿场强高、介电可调性强、介电损耗低、在介电材料领域中拥有广阔的应用前景。铌酸锶钡钾玻璃陶瓷可以形成铌酸锶钡和铌酸锶钾的共融体，实现铌酸钾的高介电常数、铌酸钡的高耐击穿场强及低介电损耗等特点。研究结果表明，铌酸锶钡钾基玻璃陶瓷储能材料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(Ceramics International，2012，38:6903-6906)。Jun Du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Shuangxi Xue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(Shuangxi Xue,et al.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(Shuangxi Xue,et al.CeramicsInternational，2015，41：S441-S446)。Guohua Chen等人研究了铌酸钡锶钠硼硅玻璃的储能密度为4J/cm3(Journal of electronceramics,2011,27:78-82)。Shi Xiao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，而且介电损耗不足够低。申请号为201610006156.X的中国专利技术专利公开了一种高储能密度的铌酸锶钡钾基玻璃陶瓷储能材料及其制备方法与应用，该铌酸锶钡钾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。与上述专利相比，本专利技术具有以下不同之处：1)原料及配比不同；2)显微结构更加均匀致密；3)在高储能密度情况下，介电常数提高了近2倍，并且介电损耗大大降低。
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储能密度较高，介电损耗低，微观结构致密的铌酸锶钡钾基玻璃陶瓷储能材料及其制备方法与应用。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种铌酸锶钡钾基玻璃陶瓷储能材料的制备方法，该方法具体包括以下步骤：(1)以SrCO3、BaCO3、K2CO3、Nb2O5、SiO2为原料，按摩尔比25.6mol％[xSrCO3+(1-x)BaCO3]-6.4mol％K2CO3-32mol％Nb2O5-36mol％SiO2进行配料，其中x取值范围为0.2-1；(2)将步骤(1)的配料经球磨混料后，烘干，并进行高温熔化，制得高温熔体；(3)将步骤(2)制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钡钾基玻璃陶瓷储能材料。步骤(1)中x的取值为0.2、0.4、0.6、0.8或1。步骤(1)所述的SrCO3、BaCO3、K2CO3、Nb2O5和SiO2的纯度大于99wt％。步骤(2)所述的球磨混料的时间为10-20h，所述的高温熔化的温度为1500-1650℃，高温熔化的时间为1.5-4h。作为优选的技术方案，步骤(2)所述的球磨混料的时间为12-16h，所述的高温熔化的温度为1500-1600℃，高温熔化的时间为2-3h。步骤(3)所述的去应力退火的温度为600-700℃，所述的去应力退火的时间为4-7h。作为优选的技术方案，步骤(3)所述的去应力退火的温度为600-680℃，所述的去应力退火的时间为5h。步骤(3)所述的玻璃薄片的厚度为1.4-1.6mm。步骤(4)所述的受控析晶的温度为650-1100℃，保温时间为2-5h。作为优选的技术方案，步骤(4)所述的受控析晶的温度为900-1100℃，保温时间为2-4h。采用上述方法制备而成的铌酸锶钡钾基玻璃陶瓷储能材料。铌酸锶钡钾基玻璃陶瓷储能材料的应用，所述的铌酸锶钡钾基玻璃陶瓷储能材料应用于储能电容器材料。本专利技术中，所述的玻璃陶瓷储能材料主要由非晶玻璃相和陶瓷相组成，陶瓷相主要为乌青铜相SrNbO6，Sr0.5Ba0.5Nb6，SrBaKNb5O15等，按摩尔比25.6mol％[xSrCO3+(1-x)BaCO3]-6.4mol％K2CO3-32mol％Nb2O5-36mol％SiO2进行配料，其中x＝0.2～1。经球磨混料，烘干，再进行高温熔化反应，并将高温熔体快速浇注至金属模具中成型，随后去应力退火，切割成玻璃薄片，再受控析晶，即制得所述的铌酸锶钡钾基玻璃陶瓷储能材料。本专利技术基于25.6mol％[xSrCO3+(1-x)BaCO3]-6.4mol％K2CO3-32mol％Nb2O5-36mol％SiO2配料，其中x＝0.2～1；通过调整SrCO3和BaCO3摩尔比及不同的热处理温度之后的玻璃陶瓷，物相结构得到改善，耐击穿场强显著提高，当x＝0本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铌酸锶钡钾基玻璃陶瓷储能材料的制备方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：(1)以SrCO3、BaCO3、K2CO3、Nb2O5、SiO2为原料，按摩尔比25.6mol％[xSrCO3+(1‑x)BaCO3]‑6.4mol％K2CO3‑32mol％Nb2O5‑36mol％SiO2进行配料，其中x取值范围为0.2‑1；(2)将步骤(1)的配料经球磨混料后，烘干，并进行高温熔化，制得高温熔体；(3)将步骤(2)制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钡钾基玻璃陶瓷储能材料。

【技术特征摘要】
1.一种铌酸锶钡钾基玻璃陶瓷储能材料的制备方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：(1)以SrCO3、BaCO3、K2CO3、Nb2O5、SiO2为原料，按摩尔比25.6mol％[xSrCO3+(1-x)BaCO3]-6.4mol％K2CO3-32mol％Nb2O5-36mol％SiO2进行配料，其中x取值范围为0.2-1；(2)将步骤(1)的配料经球磨混料后，烘干，并进行高温熔化，制得高温熔体；(3)将步骤(2)制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钡钾基玻璃陶瓷储能材料。2.根据权利要求1所述的一种铌酸锶钡钾基玻璃陶瓷储能材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中x的取值为0.2、0.4、0.6、0.8或1。3.根据权利要求1所述的一种铌酸锶钡钾基玻璃陶瓷储能材料的制备方法，其特征在于...

【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