[发明专利]一种高介电高储能微晶玻璃介质材料及其制备方法

说明书

本发明涉及电介质储能材料，特别涉及一种高介电高储能微晶玻璃介质材料及其制备方法，制备的微晶玻璃介质材料的化学组分为：x(AXO₃)‑y(aSiO₂‑bB₂O₃‑cAl₂O₃)‑zM_mO_n；介电常数可在200‑1500范围内调节，直流耐击穿强度范围为0.9‑2.0MV/cm，最高理论储能密度达71.6J/cm3，可用于各种高储能密度及超高压电容器的制备；同时玻璃组成中无铅，达到了环保的目的。

技术领域

本发明涉及电介质储能材料，特别涉及一种高介电高储能微晶玻璃介质材料及其制备方法。

背景技术

脉冲功率技术在国防重大军事科研(如全电动舰船和战斗用车辆、激光核聚变、大功率能量发生器等)及民用(如脉冲激光器、医用CT及可再生清洁能源应用等)方面有着极为广泛的应用。同时，伴随着电子工业的快速发展，对电子设备轻型化、小型化提出了更高的要求，即要求在储存更多能量的同时保证设备尽可能轻型微小。这就对作为重要储能元件的电容器的性能提出了更高的要求，而电介质材料作为电容器器件的关键组成部分，其储能特性的优劣显然直接制约着电容器整体储能性能。

传统的陶瓷介电材料，虽然其介电常数相对于其他介电材料较高，但其缺点是在制备过程中易产生孔隙，导致击穿强度较低，其储能密度的提升受到限制。相对于陶瓷材料而言，聚合物材料的优点在于材料的高致密性和柔韧性，但其介电常数通常较低，储能密度的提升同样受到限制，此外，聚合物材料也不适于在高温极端环境使用。与前面两种介电材料相比，微晶玻璃属于复合材料的一种，通过将一定组分的粉体熔制成玻璃后再进行可控析晶热处理，使晶体从玻璃基体中析出，从而得到兼具陶瓷相与玻璃相共存的复合材料，因而，其具有较明显的优势：一方面可以通过组成设计及可控析晶热处理工艺实现介电常数的调控；另一方面，由于其基体为玻璃材质，因而其孔隙率低，耐击穿强度高，储能密度的提升空间较大。因此，微晶玻璃作为电介质储能材料在脉冲功率技术中具有较好的应用前景和发展潜力。

微晶玻璃电介质材料从其极化行为角度大致可以分为线性微晶玻璃与铁电微晶玻璃。前者耐击穿场强较高但介电常数相对较低，后者可以获得较高的介电常数但耐击穿场强有所降低。因此有必要探索一种既具有“巨介电常数”(介电常数≥200)，同时具有高耐击穿场强(耐击穿场强大于等于1.0MV/cm)的“双高”微晶玻璃电介质储能材料，以满足微晶玻璃电介质储能材料在脉冲功率技术中的应用需求。

发明内容

为解决以上问题，本发明的第一方面提供了一种高介电高储能密度微晶玻璃介质材料，包括主晶相、玻璃相、过渡金属氧化物相，所述主晶相从玻璃相中析出得到，在玻璃相中析出多晶型纳米畴的驰豫铁电晶体；所述主晶相包括钙钛矿结构的铁电性相材料或多铁性相材料。

作为一种优选的技术方案，所述主晶相的化学式为AXO₃，玻璃相的化学式为aSiO₂-bB₂O₃-cAl₂O₃，过渡金属氧化物相的化学式为M_mO_n；其中，A元素选自Pb,K,Na,Ba,Sr,Bi中的至少一种；X元素选自Ti,Nb,Fe中的至少一种；M元素选自Sc,Y,Hf,V,Ta,Mn,Zn,Sn中的至少一种；a,b,c分别为玻璃相中SiO₂、B₂O₃、Al₂O₃的摩尔百分数，60％≤a≤80％，6≤b≤20％，0≤c≤34％。