一種高儲(chǔ)能高擊穿場(chǎng)強(qiáng)微晶玻璃材料及其制備方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)提供了一種高儲(chǔ)能高擊穿場(chǎng)強(qiáng)微晶玻璃材料，該微晶玻璃材料的原料化學(xué)組成為：aLa

High energy storage high breakdown field strength micro crystal glass material and preparation method thereof

The invention provides a microcrystalline glass material with high energy storage and high breakdown field strength. The chemical composition of the raw material of the glass ceramic material is aLa

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種高儲(chǔ)能高擊穿場(chǎng)強(qiáng)微晶玻璃材料及其制備方法
本專利技術(shù)屬于微晶玻璃儲(chǔ)能介質(zhì)材料
，特別是涉及一種高儲(chǔ)能高擊穿場(chǎng)強(qiáng)微晶玻璃材料及其制備方法。
技術(shù)介紹
隨著能源危機(jī)意識(shí)和環(huán)保意識(shí)的逐漸提高，人們開始嘗試新型能源的開發(fā)和利用。作為新能源技術(shù)的重要支撐手段，儲(chǔ)能技術(shù)得到了各國高度重視。其中電容器因其具有比功率高、充電速度快、耐循環(huán)老化、適用于高溫高壓場(chǎng)合以及對(duì)環(huán)境無污染等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。儲(chǔ)能介質(zhì)材料可把較小功率的能量以較長(zhǎng)時(shí)間輸入到儲(chǔ)存能量的設(shè)備中，將能量進(jìn)行壓縮與轉(zhuǎn)換后，在極短的時(shí)間(最短可為納秒)以極高的功率向負(fù)載釋放。儲(chǔ)能介質(zhì)材料可作為高儲(chǔ)能密度電容器使用。目前，高儲(chǔ)能密度電容器在脈沖功率系統(tǒng)(如全電動(dòng)推進(jìn)艦艇、電熱電磁軌道炮武器、受控激光核聚變)、油氣深井勘探、混合動(dòng)力汽車用大功率模塊化逆變器/變換器平臺(tái)、植入人體醫(yī)療器件的供能供電等國防重大軍事科研、現(xiàn)代工業(yè)和民用、醫(yī)療領(lǐng)域等都有著極為重要的應(yīng)用。微晶玻璃(又稱玻璃陶瓷)以無氣孔方式集玻璃態(tài)物質(zhì)的高擊穿場(chǎng)強(qiáng)和介電陶瓷的高介電常數(shù)于一體，成為新一代的高儲(chǔ)能電容器電介質(zhì)材料。目前，現(xiàn)有的儲(chǔ)能微晶玻璃介質(zhì)材料主要有鈦酸鋇基微晶玻璃和含有氧化鉛的鈮酸鹽微晶玻璃兩類。前者的缺點(diǎn)是擊穿場(chǎng)強(qiáng)偏低，致使儲(chǔ)能密度較低，且在施加高電場(chǎng)時(shí)儲(chǔ)能密度發(fā)生惡化。后者由于組成含有較多的氧化鉛組分使其應(yīng)用受限，同時(shí)晶化時(shí)析出大量的NaNbO3對(duì)提高材料的擊穿強(qiáng)度是不利的，且儲(chǔ)能密度也不算高。中國專利201410040185.9公開了一種高介電常數(shù)高擊穿場(chǎng)強(qiáng)的鈮酸鍶鋇玻璃陶瓷材料，由摩爾比為12:12:24:2x:2x:3x:3的SrO，BaO，Nb2O5，CaO，SiO2，B2O3以及BaF2組成，且x=5,6,7或8；該專利技術(shù)制得的鈮酸鍶鋇玻璃陶瓷材料內(nèi)部均勻生成的桃花狀鱗石英晶體使得材料擊穿場(chǎng)強(qiáng)高；同時(shí)，還合理控制鐵電鈮酸鍶鋇晶體與玻璃含量的比例，生成高介電常數(shù)高擊穿場(chǎng)強(qiáng)和低的節(jié)點(diǎn)損耗的鐵電玻璃陶瓷；但是該微晶玻璃材料的介電常數(shù)仍然只能達(dá)到300左右，擊穿場(chǎng)強(qiáng)只能達(dá)到650左右，作為儲(chǔ)能材料應(yīng)用，其性能還一般；CN201310473495.5公開了一種可高儲(chǔ)能的硼酸鹽微晶玻璃介質(zhì)材料，其組成化學(xué)式為：0.144SrO·0.176BaO·0.32Nb2O5·0.36B2O3·xSrF2·yGd2O3，其中SrF2，Gd2O3為外加組分中的一種或兩種，其摩爾百分?jǐn)?shù)為:x=0-0.5；y=0.5-2.0；該專利技術(shù)通過調(diào)節(jié)外加組分SrF2和Gd2O3含量，獲得了一種高儲(chǔ)能密度的微晶玻璃電介質(zhì)材料，所得微晶玻璃材料的介電常數(shù)為30-136可調(diào)，直流擊穿強(qiáng)度879-1210kV/cm可調(diào)，可用于各種高儲(chǔ)能密度及超高壓電容器的制備；但該材料也同樣存在介電常數(shù)低的缺陷，儲(chǔ)能密度僅僅為7J/cm3，離工業(yè)應(yīng)用還有一定差距。因此，獲得一種高介電常數(shù)、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)的高儲(chǔ)能介質(zhì)材料是現(xiàn)階段研究的重點(diǎn)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)所要解決的技術(shù)問題是提供一種高儲(chǔ)能高擊穿場(chǎng)強(qiáng)微晶玻璃材料及其制備方法，由本專利技術(shù)所制備的材料具有十分高的介電常數(shù)、擊穿場(chǎng)強(qiáng)和儲(chǔ)能密度，能夠在工業(yè)上應(yīng)用于高儲(chǔ)能密度電容器中。為解決上述問題，本專利技術(shù)采用的技術(shù)方案為：一種高儲(chǔ)能高擊穿場(chǎng)強(qiáng)微晶玻璃材料，該微晶玻璃材料的原料化學(xué)組成為：aLa2O3-bZrO2-cNb2O5-dCaO-eSiO2-fB2O3-gSrF2，其中，按摩爾百分比計(jì)0.05≤a≤0.15，0.05≤b≤0.10，0.15≤c≤0.2，0.1≤d≤0.2，0.3≤e≤0.5，f=0.05，0.02≤g≤0.1，且a+b+c+d+e+f+g=1。作為優(yōu)選，所述a=0.1，b=0.1，c=0.15，d=0.15，e=0.4，f=0.05，g=0.05。另外，本專利技術(shù)還提供了所述微晶玻璃材料的制備方法，包括如下步驟：（1）嚴(yán)格按照摩爾比例關(guān)系以純度大于99%的Nb2O5、H3BO3、SiO2、CaCO3、SrF2為原料進(jìn)行配料，然后將這些原料在球磨機(jī)中濕法球磨12-24h，得到均勻混合物，然后將混合物烘干后置于坩堝中于1200-1300℃保溫1-3h制成玻璃液；（2）將熔制好的玻璃液迅速取出，快速倒入冷水中快速水淬成玻璃顆粒，再將玻璃顆粒于星型球磨機(jī)中加入球磨介質(zhì)研磨10-20h后過200-300目篩，得到所述玻璃粉末；（3）按摩爾配比將La2O3、ZrO2與步驟（2）所得玻璃粉末混合均勻，得到配合料，將配合料研磨、熔制成玻璃液，然后將玻璃液快速澆注至金屬模具中，經(jīng)切割獲得厚度為0.2-1mm的玻璃薄片；（4）將步驟（3）中制備的玻璃薄片進(jìn)行受控析晶，該析晶過程分為兩步，首先在820-850℃核化處理1-2h促使主晶相成核，然后在950-1000℃溫度下晶化處理1-3h使晶核長(zhǎng)大，得到所述高儲(chǔ)能高擊穿場(chǎng)強(qiáng)微晶玻璃材料。其中，球磨過程所使用的磨球?yàn)檠趸喦颉Ｋ銮蚰ソ橘|(zhì)為無水乙醇或去離子水。所述玻璃的介電常數(shù)為800-1200。所述成型用金屬模具材質(zhì)為銅或鑄鐵，形狀為矩形或圓形。并且，由本專利技術(shù)制備方法制備得到的高儲(chǔ)能高擊穿場(chǎng)強(qiáng)微晶玻璃材料能夠應(yīng)用于高儲(chǔ)能密度電容器中。本專利技術(shù)的技術(shù)效果為：本專利技術(shù)以CaO-SiO2-B2O3(CBS)體系作為玻璃基體，一方面通過CaO和B2O3的加入起到降低熔融溫度、提高玻璃的溶解性與成形性、改善玻璃品質(zhì)的效果，使得本專利技術(shù)玻璃液的液相溫度低于1300℃，但CBS體系在成核方面還存在較大不足，成核性能差直接影響最終玻璃的性能，而本專利技術(shù)通過添加ZrO2作為晶核劑，可以有效降低成核和析晶活化能，加快成核速率，促進(jìn)玻璃核化和晶化，使得晶粒更加致密；另外，SrF2、Nb2O5和La2O3作為外加劑，SrF2能夠在很大程度上增加微晶玻璃材料的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，其擊穿場(chǎng)強(qiáng)高達(dá)1200KV/cm，Nb2O5與CBS體系配合使用能夠改善玻璃陶瓷的高溫穩(wěn)定性（ΔC/C25℃≤8%）和機(jī)械強(qiáng)度，而La2O3與ZrO2配合能夠很好的改善材料的儲(chǔ)能性能，所制備材料的儲(chǔ)能密度高達(dá)13J/cm3。附圖說明圖1是本專利技術(shù)實(shí)施例微晶玻璃材料的XRD圖，其中，a、b、c分別代表實(shí)施例1、實(shí)施例2和實(shí)施例3材料的XRD圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本專利技術(shù)的技術(shù)方案做進(jìn)一步的闡述：實(shí)施例1一種高儲(chǔ)能高擊穿場(chǎng)強(qiáng)微晶玻璃材料的制備方法，具體步驟包括：（1）按照摩爾百分比例0.15Nb2O5-0.15CaO-0.43SiO2-0.05B2O3-0.06SrF2的關(guān)系以純度大于99%的Nb2O5、H3BO3、SiO2、CaCO3、SrF2為原料進(jìn)行配料，然后將這些原料在球磨機(jī)中濕法球磨18h，得到均勻混合物，然后將混合物烘干后置于坩堝中于1250℃保溫2h制成玻璃液；（2）將熔制好的玻璃液迅速取出，快速倒入冷水中快速水淬成玻璃顆粒，再將玻璃顆粒于星型球磨機(jī)中加入無水乙醇研磨15h后過250目篩，得到所述玻璃粉末；（3）按摩爾百分配比將0.12La2O3、0.04ZrO2與步驟（2）所得玻璃粉末混合均勻，得到配合料，將配合料研磨、熔制成玻璃液，然后將玻璃液快速澆注至金屬模具中，經(jīng)切割獲得厚度為0.5mm的玻璃薄片；（4）將步驟（3）中制備的玻璃薄片進(jìn)行受控析晶，該析晶過程分為兩步，首先在830℃核化本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種高儲(chǔ)能高擊穿場(chǎng)強(qiáng)微晶玻璃材料，其特征在于，該微晶玻璃材料的原料化學(xué)組成為：aLa

【技術(shù)特征摘要】
1.一種高儲(chǔ)能高擊穿場(chǎng)強(qiáng)微晶玻璃材料，其特征在于，該微晶玻璃材料的原料化學(xué)組成為：aLa2O3-bZrO2-cNb2O5-dCaO-eSiO2-fB2O3-gSrF2，其中，按摩爾百分比計(jì)0.05≤a≤0.15，0.02≤b≤0.10，0.15≤c≤0.2，0.1≤d≤0.2，0.3≤e≤0.5，f=0.05，0.02≤g≤0.1，且a+b+c+d+e+f+g=1。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高儲(chǔ)能高擊穿場(chǎng)強(qiáng)微晶玻璃材料，其特征在于，所述a=0.12，b=0.04，c=0.15，d=0.15，e=0.43，f=0.05，g=0.06。3.一種權(quán)利要求1-2任一項(xiàng)所述微晶玻璃材料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：（1）嚴(yán)格按照摩爾比例關(guān)系以純度大于99%的Nb2O5、H3BO3、SiO2、CaCO3、SrF2為原料進(jìn)行配料，然后將這些原料在球磨機(jī)中濕法球磨12-24h，得到均勻混合物，然后將混合物烘干后置于坩堝中于1200-1300℃保溫1-3h制成玻璃液；（2）將熔制好的玻璃液迅速取出，快速倒入冷水中快速水淬成玻璃顆粒，再將玻璃顆粒于星...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：王甲亮，王甲林，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：鄭州坤博科技有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：河南,41