[发明专利]一种高击穿强度介电陶瓷材料及其制备方法

说明书

一种高击穿强度的介电陶瓷材料及其制备方法。本发明的介电陶瓷材料具有高击穿强度，其制备方法包括以下步骤：1)按化学式aTiO₂‑bSiO₂‑cAl₂O₃‑xCa₃(PO₄)₂中各试剂的配比称取原料；2)将称取的试剂加入去离子水和氧化锆球磨珠进行球磨，然后添加PVA后对浆料进行喷雾干燥。将得到的混合原料在30MPa下单轴压入直径为15mm的模具中，获得厚度为0.5mm的圆柱形生胚；3)将制备的圆柱形生胚的粘合剂排出，然后在1200～1300℃下烧结，得到烧好的陶瓷片。本发明的介电陶瓷材料具有较高的击穿强度，其制备工艺简单、生产成本低、无铅环保，在高压固态脉冲功率系统中具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及材料领域，尤其是高性能介电陶瓷材料领域，具体为一种具有高击穿强度的介电陶瓷材料及其制备方法。本发明属于无机材料介电陶瓷及其制备领域，提供了一种高击穿强度的二氧化钛基介电陶瓷材料及其制备方法，具有广泛的应用前景。

背景技术

脉冲功率系统在生活中的应用非常广泛，可以应用于激光驱动、介电壁加速器、微波源发生器、聚变、电磁轨道炮等驱动，其主要的工作原理是经过较长时间的充电，在需要的时候瞬间对负载释放出所储存的全部电能。脉冲功率系统性能的好坏，很大程度上取决于脉冲形成线的性能。脉冲形成线是脉冲功率系统的重要组成部分，其发挥的主要作用包括储存上一级释放的能量和压缩脉宽。通过脉冲形成线的作用可知，脉冲形成线材料需要具有较高的储能密度和适中的介电常数。为了满足高储能密度的需要，根据储能密度的计算公式可知，要想获得较高的储能密度，需要电介质材料具有较高的击穿强度和较高的介电常数。但在研究中发现，击穿强度和介电常数很难同时提高。考虑到击穿强度对储能密度的影响较大，并且脉冲形成线的工作条件需要承受高的电压，防止被击穿，所以需要在提高击穿强度的工作中有更大的突破。

根据上述脉冲形成线的性能要求可知，具有高介电击穿强度、中等介电常数和低介电损耗的介电材料在高压固态脉冲功率系统中具有广泛的应用前景。

目前这一领域中具有应用潜力的材料包括聚合物材料、玻璃陶瓷材料和介电陶瓷材料。其中，聚合物电介质材料具有很高的击穿强度，而且具有一定的柔性，在一些特定的场合发挥非常重要的作用。但是聚合物电介质材料存在介电常数较低，温度稳定性较差，易老化等问题，限制了聚合物电介质材料的使用。玻璃陶瓷材料具有较高的击穿强度和介电常数，充放电响应快、高热稳定性等优势，但是存在一定的介电弛豫和较高的介电损耗，会在使用的过程中产生大量的热量而使器件失效。

和其他两类电介质材料相比，介电陶瓷具有稳定的较高介电常数和较低的介电损耗，在较宽的温度和频率范围内变化较小，但其击穿强度通常较低而无法满足实际应用的需要。因此，研发既具有高击穿强度，又拥有适中介电常数和低介电损耗的介电陶瓷体系将具有广阔的应用前景。

TiO₂介质陶瓷是典型的线性电介质陶瓷，室温下介电常数相对较高，约为110，而且具有频率特性稳定、温度变化率低、高压线性稳定、充放电效率高等优势，在储能电介质领域具有非常大的潜力。但是其击穿强度较低限制了其使用。因此，提高TiO₂介质陶瓷击穿强度的提高具有非常重要的意义。

专利CN107473734B公布了一种具有高击穿强度的线性介质陶瓷体系：采用传统固相法，制备了一种电学性能优异的介质陶瓷。但在某些应用领域的实际应用发展中，还需要具有更高的击穿强度的介电陶瓷材料。本发明意在提供一种具有更高击穿强度的介质陶瓷体系，以满足实际需求。

发明内容