低介电损耗高储能密度的结构紧密的硼酸盐玻璃陶瓷、制备方法及应用技术

一种低介电损耗高储能密度的结构紧密的硼酸盐玻璃陶瓷材料，该材料的制备方法为：首先采用了K2CO3、Na2CO3、Nb2O5及H3BO3为原料，按化学式1

【技术实现步骤摘要】
低介电损耗高储能密度的结构紧密的硼酸盐玻璃陶瓷、制备方法及应用


[0001]本专利技术涉及玻璃陶瓷材料领域及其制备方法，特别涉及获得低介电损耗高储能密度的结构紧密的硼酸盐玻璃陶瓷材料及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]近年来，脉冲技术在混合动力汽车、航空航天及石油钻井等领域的飞速发展，对储能介质电容器提出了“高温化、高能量密度和高可靠性”的要求。由晶相和致密玻璃相构成的玻璃陶瓷依赖于其内部致密玻璃相的高击穿场强与铁电晶相的良好介电性能而在储能介电材料领域受到科研工作者的青睐。
[0003]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Pb
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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与钨青铜型铁电材料进行研究。目前，铌酸盐玻璃陶瓷是储能玻璃陶瓷的热点研究，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。

技术实现思路

[0004]本专利技术通过碱金属氧化物的存在促进铁电晶相形成以获得高介电常数,同时优化硼酸盐玻璃网络结构以提高击穿强度。1
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x(K2O
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Na2O
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2Nb2O5)
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xB2O3系统玻璃陶瓷材料中通过调控碱金属氧化物与玻璃相含量对玻璃网络结构及基体的储能性能进行进一步改性。一方面，本专利技术选择玻璃相为氧化硼，氧化硼可有效降低玻璃的粘度，加速了扩散和传质促进晶相的析出，获得高介电常数；另一方面，碱金属氧化物所提供的游离氧含量减少，使硼酸盐玻璃网络结构实现从层状结构的硼氧三角体向架状结构的硼氧四面体转变。层状结构的硼氧三角体中层与层通过范德华力连接，显然硼氧四面体的架状结构是玻璃网络结构紧密。紧密的玻璃网络结构有利于高击穿性能的获得。
[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种具有低介电损耗高储能密度的结构紧密的硼酸盐玻璃陶瓷材料及其制备方法与应用，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紧密的玻璃网络结构、高的击穿场强和低的介电损耗。
[0006]为实现上述目的，本专利技术玻璃陶瓷采用的技术方案是：
[0007]低介电损耗高储能密度的结构紧密的硼酸盐玻璃陶瓷材料，其化学式为 1
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x
(K2O
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Na2O
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2Nb2O5)
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xB2O3，其中x为B2O3的取代量，0.10≤x≤0.30，其中x表示摩尔百分比。其玻璃陶瓷材料按配方经混合熔融、成型、退火及晶化处理制得。
[0008]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：
[0009]1)按照1
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x(K2O
‑
Na2O
‑
2Nb2O5)
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xB2O3(0.10≤x≤0.30)的摩尔百分比称取K2CO3、 Na2CO3、Nb2O5及H3BO3通过机械球磨混合均匀，然后烘干，过筛；
[0010]2)将步骤1)中的混合物置于石英坩埚中加热直至形成混合均匀的熔体；将熔体倒入预热好的模具成型，再进行退火处理，得到玻璃样品；
[0011]3)将经过退火处理的玻璃样品进行晶化处理，得到 1
‑
x(K2O
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Na2O
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2Nb2O5)
‑
xB2O3玻璃陶瓷材料。
[0012]所述步骤(1)中球磨时间均为4～6小时。
[0013]所述步骤(1)中混合氧化物与锆球石及酒精混合、球磨、烘干后形成混合物。
[0014]所述步骤2)中的加热温度为1350～1400℃。
[0015]所述步骤2)中的磨具预热温度为400～500℃
[0016]所述步骤2)中的退火处理是在450～550℃保温2～4h。
[0017]所述步骤3)中晶化处理制度是以2℃/min升温至300℃再以3℃/min升温至500℃，最终再以5℃/min升温至800℃保温，保温总时间为2h。
[0018]与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：
[0019]本专利技术制得的铌酸钾钠硼酸盐玻璃陶瓷材料致密性良好，气孔率极小，晶粒尺寸均匀。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，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。本专利技术选择玻璃相为氧化硼，氧化硼可有效降低玻璃的粘度，加速了扩散和传质促进晶相的析出，获得高介电常数达175，且介电损耗可降至0.04；此外，调控碱金属氧化物与玻璃相的含量，碱金属氧化物所提供的游离氧含量减少，使硼酸盐玻璃网络结构实现从层状结构的硼氧三角体向架状结构的硼氧四面体转变。层状结构的硼氧三角体中层与层通过范德华力连接，显然硼氧四面体的架状结构使玻璃网络结构紧密。紧密的玻璃网络结构有利于高击穿性能的获得，其击穿场强可达690kV/cm，获得储能密度2.65J/cm3。在200℃高温工作环境下，依然保持线性的电滞回线，储能效率均在96％以上，适用于高温下储能材料应用。另外，通过充放测试评估玻璃陶瓷电容器的实用性，其具有快放电速率(～14ns)，高实际能量密度(0.20J/cm3)及功率密度(24.6 MW/cm3)。
[0020]另外，随着人们的环保意识的加强，材料的生产要规避对环境的影响，本专利技术所采用的原材料中由于不含铅等重金属元素，对环境友好，所以制备过程中不会对环境破坏。本专利技术选择玻璃相为氧化硼，氧化硼较氧化硅可有效降低熔融温度，减小能耗。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，即可得到铌酸钾钠硼酸盐玻璃陶瓷材料。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
[0021]图1是本专利技术实施例1、实施例2、实施例3、实施例4以及实施例5制备的铌酸钾钠基硼酸盐玻璃陶瓷材料的拉曼(Raman)图谱；
[0022]图2是本专利技术制备的铌酸钾钠基硼酸盐玻璃陶瓷材料的X
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射线衍射(XRD) 图谱；
[0023]图3是本专利技术制备的铌酸钾钠基硼酸盐玻璃陶瓷材料的介电常数与介电损耗图；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.硼酸和/或氧化硼用于提高铌酸钾钠玻璃陶瓷介电常数和/或提高铌酸钾钠玻璃陶瓷击穿强度和/或降低铌酸钾钠玻璃陶瓷介电损耗的应用。2.如权利要求1所述的应用，其特征在于，表现为玻璃陶瓷体系中的氧化硼降低了玻璃的粘度，加速了扩散和传质，促进了晶相的析出。3.如权利要求1所述的应用，其特征在于，表现为当氧化硼含量提升时，硼酸盐玻璃网络结构由硼氧三角体层状结构向硼氧四面体架状结构转变。4.如权利要求1所述的应用，其特征在于，氧化硼在玻璃陶瓷体系中的占比满足化学式1
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x(K2O
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Na2O
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2Nb2O5)
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xB2O3，0.10≤x≤0.30。5.如权利要求1所述的应用，其特征在于，硼酸和/或氧化硼在玻璃陶瓷体系中的占比满足化学式1
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x(K2O
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Na2O
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2Nb2O5)
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xB2O3，0.15≤x≤0.25。6.一种低介电损耗高储能密度的结构紧密的硼酸盐玻璃陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：按化学式1
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x(K2O
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Na2O
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2Nb2O5)
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xB2O3称取Na2CO3、K2CO3、Nb2O5及H3BO3并混合，0.10≤x≤0.30；通过球磨，加热熔融混合料，成型，退火消除内应力及晶化热处理，得到低介电损耗高储能密度的结构紧密的硼酸盐玻璃陶瓷材料。7.如权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒲永平，杜欣怡，彭鑫，李润，张倩雯，陈敏，张金波，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：