高储能密度的铌酸铋基玻璃陶瓷材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种高储能密度的铌酸铋基玻璃陶瓷材料及其制备方法和应用，铌酸铋基玻璃陶瓷材料的化学组成符合通式25Bi2O3‑25Nb2O5‑50SiO2，主晶相为铌酸铋；其制备方法采用高温熔融‑受控析晶法制备。与现有技术相比，本发明专利技术具有储能密度较高，温度稳定性较好，且制备方法简单，成本低的特点，后续研究应用潜力较大等优点。

【技术实现步骤摘要】
高储能密度的铌酸铋基玻璃陶瓷材料及其制备方法和应用
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铋基玻璃陶瓷材料及其制备方法。
技术介绍
近年来，脉冲计数作为各种电子系统中的重要组成部分，已经广泛应用于电子计算机、电视、通信、雷达、遥控测控、自动控制、无线电导航和测量技术等领域。脉冲技术是指功率在百兆瓦(MW)以上，脉冲宽度小于1s的短时间能量释放。脉冲功率装置可以简化为，先将低功率的电能储存在储能装置中，如电容器等，当储存的能量到达以指定值时，通过充放电电路转换，将储存的能量在极短的时间内快速放出，以达到高电流、高功率输出的目的。评价脉冲功率系统的优劣主要有两个参数，一是其储层能量的大小，二是其充放电速度的快慢。由于目前实用的储能材料储能密度比较低，使得脉冲功率系统体积过于庞大，大大限制了该项技术的应用。因此，寻找具有高储能密度的稳定的储能材料，是当下科研人员的共识。玻璃陶瓷储能材料，采用高温熔融的方法，首将将特定配比的原料熔化制备出玻璃熔浆，然后将得到的熔浆急冷得到成分均一的无定型块状玻璃，最后，通过可控析晶的方法制备出亚微米或纳米尺寸的晶相颗粒和残余的玻璃相组成的无孔隙的玻璃-陶瓷。在可控析晶过程中，通过调整产生陶瓷相的金属氧化物及玻璃相网络形成体的相对比例以及后续析晶处理工艺的控制，可以实现对晶相颗粒尺寸，形态和含量的有效控制,从而确保了玻璃陶瓷材料的性能具有较大的可调性。这种经过高温熔融再可控析晶制备出的玻璃陶瓷具有高致密度、高耐击穿以及高储能密度的特点。近年来，铌酸盐玻璃陶是国内外研究高储能玻璃陶瓷材料的热电。铌酸盐微晶玻璃主要由具有钨青铜型结构和钙钛矿结构的铌酸盐晶体与玻璃相组成的复合材料。在铌酸盐玻璃陶瓷体系中，一些学者对其进行相应的优化、掺杂改性研究。Guo-huaChen等人报道的Na2O-BaO-SrO-Nb2O5-B2O3-SiO2玻璃陶瓷达到了4.0J/cm3的储能密度。YiZhou等人BaO-Na2O-Nb2O5-SiO2的组分基础上添加了Gd2O3，结果显示，添加了1％摩尔量的Gd2O3明显改善了玻璃陶瓷的介电特性，其耐击穿场强和介电常数分别达到了349和56.16kV/mm.JunSong等以BaCO3，SrCO3，Nb2O5，H3BO3为原料，研究了不同Sr/Ba比对玻璃陶瓷介电性能的影响。M.P.Graca等研究了热处理对SiO2-Na2O-Nb2O5系玻璃陶瓷的电学以及介电性能的影响，研究发现，组成为60SiO2-30Na2O-10Nb2O5体系的玻璃在650℃热处理4h，材料介电常数最高达48.19。Shyu等通过整体析晶法制备出铌酸锶钡基玻璃陶瓷，随烧结温度升高，SBN相含量增加，计算析晶相含量高达40％，介电常数最大为180。随后又研究的(SrO,BaO)-Nb2O5体系玻璃陶瓷，发现析晶温度低于1000℃时，样品的介电常数高达351，击穿强度可达4.5kV/cm，剩余极化强度0.15μC/cm2。随后，Zeng等人研究BaF2添加剂对SrO-BaO-Nb2O5-B2O3玻璃的析晶动力学和介电性能的影响，发现该体系微晶玻璃的介电常数随BaF2添加量的增大呈现先增大后减少的变化，而耐击穿出现一直变大的趋势。当添加5mol％BaF2时，得到介电常数为337，耐击穿场强为527kV/cm最优性能的微晶玻璃陶瓷。JunLuo等人基于Na2O-PbO-Nb2O5-SiO2玻璃陶瓷体系，成功制备出性能优良的多层结构电容器，储能密度达8J/cm3。在以往的研究中，针对玻璃陶瓷中玻璃相的原料主要采用的是如钡、钾、钠、锶等元素的氧化物或碳氧化合物，最终得到的玻璃陶瓷晶相多由这些元素与铌、氧组成，如钛酸钡(BaTiO3)、铌酸锶钡(SrxBa1-xNb2O6)、钛酸锶钡(SrxBa1-xTiO3)、铌酸钠(NaNbO3)等，经过多年的研究，其储能密度的发展已经接近瓶颈阶段，在此背景下，尝试开发新的具有高储能密度的材料体系显得尤为必要。
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铋基玻璃陶瓷材料及其制备方法和应用。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铋基玻璃陶瓷材料，其化学组成符合通式25Bi2O3-25Nb2O5-50SiO2，主晶相为铌酸铋。所述的高储能密度的铌酸铋基玻璃陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：(1)以Bi2O3、Nb2O5和SiO2为原料，按照25Bi2O3-25Nb2O5-50SiO2的摩尔化学比配料，滚磨混合均匀后，高温熔融，得到高温玻璃熔浆；(2)将步骤(1)制备的高温玻璃熔浆浇入预热的铜模具中成型并保持该预热温度以去除玻璃内的残余应力，制备出成分均一的无定形态的玻璃，切片后得到玻璃薄片；(3)将步骤(2)制得的玻璃薄片进行受控析晶，即制得所述的高储能密度的铌酸铋基玻璃陶瓷材料。优选地，步骤(1)高温熔融的工艺条件为：在1500～1600℃下保温1～3h。优选地，步骤(1)高温熔融的工艺条件为：在1550℃下保温2h。优选地，步骤(2)中，将步骤(1)制备的高温玻璃熔浆浇入预热至600℃的铜模具中成型并保持该预热温度6h以去除玻璃内的残余应力。优选地，步骤(3)中受控析晶的条件为：以2～4℃/min的升温速率升温到700℃～900℃，保温4～8h。优选地，步骤(3)中受控析晶的条件为：以3℃/min的升温速率升温到700～900℃，保温6h。优选地，步骤(3)中最佳受控析晶的条件为：以3℃/min的升温速率升温到800℃，保温6h。该高储能密度的铌酸铋基玻璃陶瓷材料的应用，可将其用作储能电容器材料。本专利技术基于25Bi2O3-25Nb2O5-50SiO2(摩尔％)配料，通过调整析晶温度之后的玻璃陶瓷，介电常数与耐击穿场强均维持在一个较高的水平。特别的，当析晶温度为800℃时，储能密度达到最大值，理论储能密度达到17.16J/cm3。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：(1)本专利技术涉及了一种含铋的，摩尔组成比为25Bi2O3-25Nb2O5-50SiO2的组分，对比之前的关于玻璃陶瓷的研究，以铌酸铋为玻璃陶瓷主晶相的玻璃陶瓷明显区别于常见的玻璃陶瓷晶相，且储能密度值较大，可被用于制作高储能密度电容器，后续可在此基础上继续展开对以铌酸铋为主要晶相的玻璃陶瓷的研究，具有较大的深入研究价值与实际应用意义。(2)制备方法简单，温度稳定性好，可加工性能好，析晶温度范围宽。本专利技术基于25Bi2O3-25Nb2O5-50SiO2(摩尔％)配料，成功析出了以铌酸铋为主晶相的玻璃陶瓷，且储能密度大，可被用于制作高储能密度电容器，后续可在此基础上继续展开对以铌酸铋为主要晶相的玻璃陶瓷的研究，具有较大的深入研究价值与实际应用意义。附图说明图1为不同析晶温度下25Bi2O3-25Nb2O5-50SiO2(摩尔％)玻璃陶瓷储能材料的储能密度；图2为不同析晶温度下25Bi2O3-25Nb2O5-50SiO2(摩尔％)玻璃陶瓷储能材料的介电常数；图3为不同析晶温度下25Bi2O3-25Nb2O5-50SiO2(摩尔％)玻璃陶瓷储能材料的耐击穿场强的Weibull分布图曲线；图4为不同析晶温度下25B本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高储能密度的铌酸铋基玻璃陶瓷材料，其特征在于，其化学组成符合通式25Bi2O3‑25Nb2O5‑50SiO2，主晶相为铌酸铋。

【技术特征摘要】
1.一种高储能密度的铌酸铋基玻璃陶瓷材料，其特征在于，其化学组成符合通式25Bi2O3-25Nb2O5-50SiO2，主晶相为铌酸铋。2.如权利要求1所述的高储能密度的铌酸铋基玻璃陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)以Bi2O3、Nb2O5和SiO2为原料，按照25Bi2O3-25Nb2O5-50SiO2的摩尔化学比配料，滚磨混合均匀后，高温熔融，得到高温玻璃熔浆；(2)将步骤(1)制备的高温玻璃熔浆浇入预热的铜模具中成型并保持该预热温度以去除玻璃内的残余应力，制备出成分均一的无定形态的玻璃，切片后得到玻璃薄片；(3)将步骤(2)制得的玻璃薄片进行受控析晶，即制得所述的高储能密度的铌酸铋基玻璃陶瓷材料。3.根据权利要求2所述的高储能密度的铌酸铋基玻璃陶瓷材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)高温熔融的工艺条件为：在1500～1600℃下保温1～3h。4.根据权利要求3所述的高储能密度的铌酸铋基玻璃陶瓷材料的制备方法，其特征在于，步...

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