[发明专利]高储能密度的铌酸钡铅钠基玻璃陶瓷材料及其制备方法

说明书

本发明涉及高储能密度的铌酸钡铅钠基玻璃陶瓷材料及其制备方法，陶瓷颗粒组分主要包括钙钛矿相的NaNbO₃，以及钨青铜相的Ba₂NaNb₅O₁₅。该玻璃陶瓷储能材料的化学成分符合化学通式6.4Na₂CO₃‑23.04BaCO₃‑2.56PbO‑32Nb₂O₅‑36SiO₂，以Na₂CO₃、BaCO₃、PbO、Nb₂O₅、SiO₂为原料，经辊磨混料后烘干，然后高温熔化，得到玻璃熔体；将高温熔体快速倒入预热的模具上，在恒温炉体内保温数小时以去除急冷下玻璃中的残余应力，然后将玻璃块体切割成等大少和厚度的玻璃薄片；将玻璃薄片进行受控析晶，即得到本发明的玻璃陶瓷储能材料，铌酸钡钠基玻璃陶瓷储能材料用于储能电容器材料。与现有技术相比，本发明制备的玻璃陶瓷储能材料具有介电常数和储能密度高，热处理温度范围宽等优点。

技术领域

本发明属于电介质储能材料领域，涉及一种电介质储能材料及其制备方法，尤其是涉及一种高储能密度的铌酸钡铅钠基玻璃陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

传统的化石能源在使用过程中会不可避免的造成环境污染等问题，并且化石能源是不可再生能源，会日益枯竭。化石能源引起的环境污染和能源危机推动着人们不断去探索环保并且可再生的新能源。同时，为了提高能源利用率,各种储能技术和储能材料也应运而生,其中高储能密度电容器是一种十分重要的储能原件。目前用作电容器的储能电介质的材料包括传统的铁电陶瓷、反铁电陶瓷和高聚物复合材料，但这些材料本身的缺点却限制了它们的应用。对于铁电陶瓷来说，其具有较高的介电常数，但是陶瓷材料本身中往往存在气孔，会降低材料的耐击穿场强，同时气孔会使得材料的致密度降低并导致电容器的内耗大，易于在电容器内部产热而损坏电子元器件。对于反铁电材料，由于铁电-反铁电相变的存在，在反复的充放电过程中容易引起微裂纹而损坏电容器。高聚物储能材料，其优点在于高的耐击穿电场(如PVDF～3MV/cm)，但是高聚物的介电常数极极低(10)，从而导致其储能密度也不高，另外高聚物储能材料的热稳定性差，若电子元件产热过高容易损坏电容器。

作为最近热点研究的储能材料-玻璃陶瓷储能材料，采用高温-熔融的方法，首将玻璃和陶瓷成分熔化制备出玻璃熔浆。然后，块状玻璃的成型和去应力；最后，通过可控析晶的方法制备出大比例的亚微米、纳米尺寸的晶体和残余的玻璃相组成的且是无孔隙的玻璃-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，可以实现对结结相晶粒粒尺和含量的有效控制,从而玻璃陶瓷材料的性能在极大程度上得到优化。这种经过高温熔融再可控析晶制备出的玻璃陶瓷具有高介电常数、高致密度、高耐击穿的特点。从而达到高的储能密度。与传统的钛酸锶钡基玻璃陶瓷相比，铌酸钡钠基陶瓷相更能在其玻璃基体里通过可控析晶得到(析晶温度低)，从而使铌酸钡钠基玻璃陶瓷优于钛酸锶钡基玻璃陶瓷的介电常数；在钛酸锶钡基玻璃陶瓷高温析晶过程中，过多的钡元素会导致玻璃陶瓷中出现枝状晶，对其耐击穿电场极为不利，而铌酸钡钠基玻璃陶瓷没有此类担心的内在因素。此说明中以高的介电常数的铌酸钡钠为陶瓷相，以硅酸盐为玻璃相的组成，在低的热处理温度下，得到高介电常数、高的耐击穿电场的铌酸钡钠基玻璃陶瓷复合材料，这对介质储能材料的实际应用具有重要意义。