[发明专利]一种低介电损耗的储能介质陶瓷材料及其制备

说明书

技术领域

   本发明涉及脉冲形成线用储能陶瓷电容器技术领域，具体涉及一种低介电损耗储能介质陶瓷材料及其制备。

背景技术

目前脉冲形成线用储能介质陶瓷电容器研究趋势向着高的储能密度、良好的偏压和频率稳定性以及小的尺寸方向发展，以满足日益苛刻的应用要求。因此，作为储能陶瓷电容器的主要工作介质储能电介质陶瓷应满足以下几个性能要求：

(1)优异介电常数偏压稳定性和频率稳定性。储能陶瓷电容器是在一定的电压范围和一定的频率范围内工作，优异的介电常数偏压稳定性和频率稳定性不仅可以保证器件的稳定工作而且可以拓宽器件工作的电场以及频率范围。

(2)低的介电损耗。介质损耗不仅消耗储能的能量，而且由介电损耗引起的器件温度升高会影响器件的正常工作，因此制备储能陶瓷时需要控制介电损耗使其越小越好。

(3)良好的耐压性能。良好的耐压性能的储能电介质可以使脉冲形成线的尺度大大减小，同时良好耐压性能可以拓宽脉冲形成线的工作电压范围。

(4)可调的介电常数。介电常数可以调节保证在不同的应用背景下选用不同的器件满足应用的要求。

根据以上分析可以看出目前应用于脉冲形成线的去离子水介质、铁电陶瓷和反铁电陶瓷存在以下缺陷：(1)介电常数偏压稳定性不佳，介电常数随着偏压提高，介电常数急剧减小；(2)介电常数随频率不稳定；(3)介电损耗在百分之几，甚至更大，介电损耗大，不宜于器件正常工作；(4)耐压性能不佳，有效储能密度也低；(5)有电致伸缩效应，对器件的稳定性要求不利。本发明制备的陶瓷具有介电常数可调、介电常数偏压稳定性能和频率稳定性能优异、介电损耗低、储能密度高的特点；而且这类材料体系涉及的原料价格便宜，样品制备工艺简单，适合做脉冲形成线。

发明内容

本发明的目的是提供一种低介电损耗储能介质陶瓷材料及其制备，该陶瓷材料同时具有介电常数随偏压电场和频率变化的变化率小、介电常数可调、介电损耗低、击穿场强高、储能性能优异的特点。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种低介电损耗储能介质陶瓷材料，其特征在于：陶瓷材料体系的组成为x MgO -(1-x)SrTiO₃，x=0~20wt%，该储能陶瓷在0~120kv/cm偏压电场范围内介电常数变化率小于4.5%，在20Hz~2MHz频率范围内介电常数变化率小于1.7%，频率为1kHz时介电常数随x在160<                                                <300变化，介电损耗tanδ<0.003，击穿场强E_b>174.30kV/cm，储能密度γ>0.36J/cm³。远大于用去离子水做介质的脉冲形成线的储能密度。

本发明的低介电损耗储能介质陶瓷材料的制备步骤为：

(1)以纯度大于99%的SrCO₃，纯度大于99%的TiO₂为起始原料，以SrTiO₃的化学式称取SrCO₃和TiO₂原料，将称取的原料以无水乙醇为球磨介质加入球磨罐中采用湿式球磨法混合球磨22~24小时；然后在烘箱中烘干后再在1100℃预烧2小时得到SrTiO₃陶瓷粉体，备用；

(2)按MgO粉体质量分数为0~20wt%的比例，称取SrTiO₃陶瓷粉体和纯度大于99%的MgO粉体，将称取的原料以无水乙醇为球磨介质加入球磨罐中采用湿式球磨法混合球磨22~24小时，在烘箱中烘干得到混合粉料；

(3)向步骤(2)所得到的烘干混合粉料中加入为该烘干粉料质量1wt%~3.5wt%的粘结剂造粒、压制成型，再在600℃保温2~3小时排胶得到成型生胚料；将该生胚料置于马沸炉中烧结，得到x MgO-(1-x)SrTiO₃，x=0~20.0wt%储能陶瓷。该储能陶瓷具有介电常数可调、介电常数偏压稳定性和频率稳定性优异、介电损耗低、储能密度高的特点。

其中，球磨用氧化锆球。

所述的粘结剂为聚乙烯醇水溶液，浓度为0.5wt%~2.0wt%，添加量为烘干粉料质量的1wt%~3.5wt%。

制备步骤(3)中，烧结工艺为升温速率1.5~4℃/min，烧结温度为1350~1450℃，保温时间为2小时。

   本发明的有益效果是：