具有高储能及高光学透过率的微晶玻璃材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种具有高储能及高光学透过率的微晶玻璃材料及其制备方法，所述微晶玻璃材料具有四方钨青铜晶相结构或四方钙钛矿晶相结构，其组成分别为：A2O

【技术实现步骤摘要】
具有高储能及高光学透过率的微晶玻璃材料及其制备方法
[0001]

[0002]本专利技术涉及介电材料
，具体涉及一种具有高储能及高光学透过率的微晶玻璃材料及其制备方法。

技术介绍

[0003]在无机电介质材料中，电介质陶瓷和微晶玻璃是两种主要用于电介质能量存储应用的候选材料。对于电介质陶瓷材料，其主要优势是强铁电性带来的高极化值，但铁电畴反转会导致剩余极化较大，放电时间较长(>1
µ
s)。此外，其较高的孔隙率及较大的晶粒尺寸导致其击穿场强较低，通常小于400 kV/cm，因此，难以同时实现高储能能量和高功率密度。微晶玻璃是由纳米、亚纳米尺度的高介陶瓷相和低介玻璃相组成，具有良好的块体密度、合适的介电常数和高击穿强度。此外，由于玻璃相的存在，微晶玻璃具有比陶瓷更短的放电时间，因此，微晶玻璃电介质电容器有望实现更高的功率密度，在高压高功率脉冲系统有较好的应用前景。
[0004]微晶玻璃做为介质，通常高的介电常数意味着铁电性增强，相应地，会使得剩余极化值增大，从而导致储能能量降低，因此，开发具有较高的功率密度和储能能量的微晶玻璃电介质材料显得尤为重要。此外，器件的小型化发展趋势要求器件需兼具多功能化应用前景，进而对构成器件的主体材料提出了兼具多种物理性能的要求。微晶玻璃材料具有极高的带隙宽度，通常大于3.0 eV，这使得微晶玻璃材料不仅具有良好电介质储能特性，同时还能兼具高的光学透过率的特点，在光学器件应用方面也存在着巨大的应用潜力。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供了一种具备超顺电特征的微晶玻璃电介质材料，该材料在较高的外加电场下，具有较高的电极化值的同时，保持了较低的剩余极化值，且放电时间超短(<20ns)，从而在微晶玻璃中同时实现高放电功率密度和高储能能量，且具备良好的温度稳定性与高的光学透过率。本专利技术同时还提供了所述微晶玻璃电介质材料的制备方法。
[0006]本专利技术提供的微晶玻璃材料介质材料，具有四方钨青铜晶相结构或四方钙钛矿晶相结构，具有四方钨青铜晶相结构微晶玻璃材料的组成为：A2O
‑
A
′
O
‑
B2O5‑
B
′
O2‑
Al2O3‑
SiO2，各氧化物比例：0~10mol%的A2O，15~35mol%的A
′
O，0~35 mol%的B2O5，0~30 mol%的B
′
O2，5~25mol%的Al2O3，0~25mol%的SiO2；其中：A代表 K、 Na或Ag元素，A
′
代表 Ba或Sr元素，B代表Nb、Ta或P元素，B
′
代表Ti或Sn元素。具有四方钙钛矿晶相结构微晶玻璃材料的组成为：BaO
‑
TiO2‑
SnO2‑
Al2O3‑
SiO2，各氧化物比例：15~35mol%的BaO，0~30mol%的TiO2，0~30mol%的SnO2，5~25mol%的Al2O3，0~25mol%的SiO2。
[0007]本专利技术还提供了所述微晶玻璃材料介质材料的制备方法。
[0008]具有四方钨青铜晶相结构的微晶玻璃材料的制备方法包括以下步骤：
（1）以K2CO3、Na2CO3、Ag2O、BaCO3、SrCO3、Nb2O5、P2O5、Ta2O5、Al2O3和SiO2为原料，按照各氧化物比例配料，然后将这些原料在球磨机中湿法球磨24h，烘干后置于坩埚中在1450
‑
1500℃保温2
±
0.5h熔制成均匀的玻璃液。
[0009]（2）将所得玻璃液迅速浇注至预热好金属模具中成型，然后在550
‑
570℃的退火炉中退火，消除应力后切割成设定面积的玻璃片。
[0010]（3）将所述玻璃片以5℃/min的升温速度升温，在750
‑
830℃保温2
±
0.5h进行析晶晶化。
[0011]（4）将获得的微晶玻璃材料薄片进行加工处理，抛磨成设定厚度的薄片。
[0012]具有四方钙钛矿晶相结构的微晶玻璃材料的制备方法包括以下步骤：（1）以BaCO3、TiO2、SnO2、Al2O3和SiO2为原料，按照各氧化物比例配料，然后将这些原料在球磨机中湿法球磨，烘干后置于坩埚中在1450
‑
1500℃保温2
±
0.5h熔制成均匀的玻璃液；（2）将所得玻璃液迅速浇注至预热好金属模具中成型，然后在550
‑
650℃的退火炉中退火，消除应力后切割成设定面积的玻璃片；（3）将所述玻璃片以5℃/min的升温速度升温，在850
‑
950℃保温2
±
0.5h进行析晶晶化；（4）将获得的微晶玻璃材料薄片进行加工处理，抛磨成设定厚度的薄片。
[0013]本专利技术的技术特点和效果：本专利技术具有四方钨青铜晶相结构或四方钙钛矿晶相结构，其组成为A2O
‑
A
′
O
‑
B2O5‑
B
′
O2‑
Al2O3‑
SiO2，通过高温熔融
‑
可控析晶法制备。其中A2O及A
′
O为微晶玻璃的A位取代调制提供相应的离子，B2O5及B
′
O2为微晶玻璃的B位取代调制提供相应的离子。通过析出具有四方钨青铜结构或钙钛矿结构的微晶玻璃并通过不同A/B位离子的占位调制，实现超顺电相复合结构，最终获得具有高功率（＞500 MW/cm3）、高储能能量密度（＞3.0 J/cm3）、高温度稳定性（25
‑
120℃，储能密度减少＜15%）及高光学透过率（可见光范围内，光学透过率＞50%）的超顺电结构微晶玻璃电介质材料，可以应用于多温度环境下的高压高功率脉冲电源系统。此外，所述微晶玻璃的组成中不含铅，达到了环境保护的目的。
[0014]附图说明：图1为实施例1实测放电能量密度与功率密度；图2为实施例1实测放电能量密度温度稳定性；图3描述了实施例1光学透过率；图4为实施例2实测放电能量密度与功率密度；图5描述了实施例2光学透过率；图6为实施例3实测放电能量密度与功率密度；图7描述了实施例3光学透过率；图8为实施例4实测放电能量密度与功率密度；图9为实施例4实测放电能量密度温度稳定性；图10描述了实施例4光学透过率。
J/cm3@800 kV/cm，峰值功率密度可达532MW/cm3，其光学透过率在可见光波段＞60%。测试条件：充放电测试系统（电压10 kV，负载200 Ω，测试温度25℃）。
[0030]实施例3：本实施例产品的组成设计选为K2O
‑
BaO
‑
Nb2O5‑
P2O5‑
Al2O3‑
SiO2，析出晶相为四方相钨青铜结构。
[0031]（1）以分析纯的 K本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有高储能及高光学透过率的微晶玻璃材料，其特征在于，所述微晶玻璃材料具有四方钨青铜晶相结构，其组成为：A2O
‑
A
′
O
‑
B2O5‑
B
′
O2‑
Al2O3‑
SiO2，各氧化物比例：0~10mol%的A2O，15~35mol%的A
′
O，0~35 mol%的B2O5，0~30 mol%的B
′
O2，5~25mol%的Al2O3，0~25mol%的SiO2；其中：A代表 K、 Na或Ag元素，A
′
代表 Ba或Sr元素，B代表Nb、Ta或P元素，B
′
代表Ti或Sn元素。2.根据权利要求1所述的微晶玻璃材料，其特征在于，所述具有四方钨青铜晶相结构的微晶玻璃材料，其制备方法包括以下步骤：（1）以K2CO3、Na2CO3、Ag2O、BaCO3、SrCO3、Nb2O5、P2O5、Ta2O5、Al2O3和SiO2为原料，按照各氧化物比例配料，然后将这些原料在球磨机中湿法球磨24h，烘干后置于坩埚中在1450
‑
1500℃保温2
±
0.5h熔制成均匀的玻璃液；（2）将所得玻璃液迅速浇注至预热好金属模具中成型，然后在550
‑
570℃的退火炉中退火，消除应力后切割成设定面积的玻璃片；（3）将所述玻璃片...

【专利技术属性】
技术研发人员：尚飞，覃耀毅，唐健，陈国华，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：