一種超低介電損耗的KNN基儲能微晶玻璃材料及制備方法技術

本發明專利技術涉及一種超低介電損耗的KNN基儲能微晶玻璃材料及制備方法，該微晶玻璃材料是由玻璃相和晶相經混合、熔融、冷卻成型、退火及晶化熱處理制得的；其中，按摩爾百分數計，玻璃相占20～50％，余量為晶相；晶相是由摩爾比為(3?x)：(3?x)：6：2x的K

Ultra low dielectric loss KNN based energy storage microcrystalline glass material and preparation method thereof

The invention relates to an ultra low dielectric loss of KNN based storage glass ceramic material and preparation method of the glass ceramics material is made of glass phase and crystal phase through mixing, melting, forming, annealing and cooling crystallization heat treatment system; the molar percentage, glass phase accounted for 20 ~ 50%. Balance of crystal phase; crystalline phase is composed of molar ratio (3 x (3): x):6:2x K

【技術實現步驟摘要】
一種超低介電損耗的KNN基儲能微晶玻璃材料及制備方法
本專利技術涉及微晶玻璃材料領域，具體涉及一種超低介電損耗的KNN基儲能微晶玻璃材料及制備方法。
技術介紹
脈沖電源是脈沖功率系統的核心技術，電容器是脈沖功率系統優先選擇的重要儲能元件，而高比能量電容器是制約大功率脈沖技術成敗的關鍵因素之一。因此，高比能量電容器介質材料已成為美國等發達國家研究的熱點[1]。(Smith,N.J.,B.Rangarajan,M.T.Lanagan,C.G.Pantano.Alkali-freeglassasahighenergydensitydielectricmaterial[J].MaterialsLerrers,2009,(63):1245-1248.)目前用作大功率脈沖電源系統的箔式結構電容器或金屬化膜電容器雖已量產,但單位體積儲能密度都不算高(一般低于1.0J/cm3)，而且存在發生故障易爆炸和放電電流小、放電壽命短等缺點[2](朱志芳,林福昌,戴玲.高儲能密度陶瓷電容器的性能[J].強激光與粒子束,2004,16(10):1341-1344.)。陶瓷電容器雖然有高的介電常數，但由于陶瓷介質材料存在難以消除的氣孔缺陷，致使材料的耐擊穿強度較低[3](Beall,G.H.,L.R.Pinckney.Nanophaseglass-ceramics[J].JournaloftheAmericanCeramicSociety,1999，82(1):5-16.)，因此該類材料實際儲能密度上升的空間較小，這將越來越難以滿足大功率脈沖設備對高比能量電容器的要求。目前人們正積極研制高儲能密度新型電容器介質材料，作為高比能量脈沖電容器(脈沖電容器的比能是指電容器單位體積儲存的能量,其大小正比于ε·Ε2。其中ε是介質的介電常數，Ε是介質的工作電場強度)介質材料的開發方向，鐵電玻璃陶瓷(又稱微晶玻璃)材料以無氣孔方式集玻璃態物質的高擊穿強度與介電陶瓷體系的高介電常數二者優勢為基礎，成為高儲能材料研究的熱點[4-5](Chu,B.J.,X.Zhou,K.L.Ren,B.Neese,M.Lin,Q.Wang,F.Bauer,Q.M.Zhang.Adielectricpolymerwithhighelectricenergydensityandfastdischargespeed[J].Science,2006,313(5785):334-336.Graca,M.P.F.,M.G.FerreiradaSilva,A.S.B.Sombra,M.A.Valente.ElectricanddielectricpropertiesofaSiO2Na2ONb2O5glasssubjecttoacontrolledheat-treatmentprocess[J].PhysicaB,2007,396(1-2):62-69.)。目前鈮酸鹽玻璃陶瓷是儲能玻璃陶瓷的熱點研究，但大多圍繞鈮酸鍶鋇玻璃粉體或陶瓷展開研究，但是鈮酸鍶鋇屬于鎢青銅結構，介電常數與鐵電性都遠不如鈣鈦礦型鐵電材料。鈮酸鉀鈉(即(K,Na)NbO3，文中簡稱KNN)屬于典型鈣鈦礦晶體結構。ABO3型的鈣鈦礦晶體結構是一種穩定且應用廣泛的晶型是典型鐵電體，不僅在鐵電、壓電、熱釋電方面有較多的研究，還在光催化、儲能方面有更為新穎的研究關注熱度。就鈣鈦礦型(K,Na)NbO3材料而言，原本就在壓電、PTC方面有其較熱的研究與開發前景，目前還無法制備出一種具有高擊穿場強和高介電常數的鈮酸鉀鈉玻璃陶瓷。
技術實現思路
本專利技術的目的在于克服現有技術中存在的缺陷，提供一種超低介電損耗的KNN基儲能微晶玻璃材料及制備方法，該方法原料高度均勻反應，利用率高，且制得的制得的玻璃陶瓷材料，具有較高的介電常數。為實現上述目的，本專利技術微晶玻璃材料采用的技術方案是：該微晶玻璃材料是由玻璃相和晶相經混合、熔融、冷卻成型、退火及晶化熱處理制得的；其中，按摩爾百分數計，玻璃相占20～50％，余量為晶相；晶相是由摩爾比為(3-x)：(3-x)：6：2x的K2CO3、Na2CO3、Nb2O5和BaCO3組成的，0＜x≤2.5。進一步地，玻璃相是由摩爾比為(2～4)：1的SiO2和H3BO3組成的。進一步地，玻璃相和晶相中還添加有占玻璃相和晶相總摩爾量0～4％的玻璃晶核劑。進一步地，玻璃晶核劑為CeO2。本專利技術制備方法的技術方案是，包括如下步驟：1)按照摩爾比為(3-x)：(3-x)：6：2x取K2CO3、Na2CO3、Nb2O5和BaCO3混合，得到晶相，其中0＜x≤2.5；將晶相和玻璃相混合，得到混合物A，向混合物A中加入占混合物A總摩爾量0～4％的玻璃晶核劑并混合均勻，得到混合物B；2)將步驟1)中的混合物B加熱直至形成均勻的熔體；將熔體倒入模具急冷成型，得到玻璃樣品，對玻璃樣品進行退火處理；3)將經過退火處理的玻璃樣品進行晶化處理，得到超低介電損耗的KNN基儲能微晶玻璃材料。進一步地，步驟1)的玻璃相是由摩爾比為(2～4)：1的SiO2和H3BO3混合得到的；步驟1)的混合物A中加入玻璃晶核劑后球磨5～10h混合均勻。進一步地，步驟2)中加熱的過程是：將石英坩堝或氧化鋁坩堝隨爐從室溫加熱至900～1200℃時，開始加入混合物B，然后繼續加熱到1300～1400℃，使混合物B充分熔融且無氣泡。進一步地，混合物B在1300～1400℃保溫20～40min。進一步地，步驟2)中的退火處理是在500～700℃保溫5～10h。進一步地，步驟3)中的晶化處理是在800～1000℃保溫1～6h。與現有技術相比，本專利技術的有益效果在于：本專利技術制得的KNN基儲能微晶玻璃材料氣孔率極小，同時，介電損耗極低。在組成上，選擇了并未見報道的K2O-Na2O-Nb2O5-BaO-SiO2-B2O3系統。其中，SiO2-B2O3為形成玻璃晶相的主要配方，而K2O-Na2O則既充當玻璃系統中的網絡外體又成為析出的KNN晶相的主要成分，該玻璃配方最優異之處在于引入BaO，不僅對鈮酸鉀鈉系統調節晶相組成，并且對于析晶過程有一定的促進作用，堿土金屬離子既成為玻璃中的網絡外體(亦有可能成為中間體)，加速析晶，又能引起釘扎效應，削弱界面極化對擊穿惡化的不利影響，最終得到高介電常數微晶玻璃材料。測試可知，本專利技術得到的玻璃陶瓷材料中析出了兩種晶相，即鈮酸鉀鈉(Na0.9K0.1NbO3)鈣鈦礦鐵電晶相與鈮酸鋇鈉(Ba2NaNb5O15)鎢青銅鐵電晶相共存，而鎢青銅相的最大性能優勢在于其超低的介電損耗，可以低至0.006以下，且本專利技術材料的介電性能在逐步提高。這樣的配方設計從能夠根本上降低介電損耗提高介電常數同時保持較高的擊穿場強，實現儲能的提高。本專利技術制備方法僅需要對各原料進行混合、球磨、熔融、成型、退火和晶化處理，即可得到KNN基儲能微晶玻璃材料，本專利技術采用熔融-晶化熱處理法，原料高度均勻反應，利用率高，實驗操作簡單，且成型方法多，經過退火后能夠有效消除內部應力，晶化處理后，讓晶相生長更加完全，析晶更徹底，并利于得到內部晶粒更細、均勻化程度更高和儲能密度更高的玻璃陶瓷。目前，采用熔融-晶化熱處理法制備超低接電損耗KNN基儲能微晶玻璃的方法還未見報本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種超低介電損耗的KNN基儲能微晶玻璃材料，其特征在于：是由玻璃相和晶相經混合、熔融、冷卻成型、退火及晶化熱處理制得的；其中，按摩爾百分數計，玻璃相占20～50％，余量為晶相；晶相是由摩爾比為(3?x)：(3?x)：6：2x的K

【技術特征摘要】
1.一種超低介電損耗的KNN基儲能微晶玻璃材料，其特征在于：是由玻璃相和晶相經混合、熔融、冷卻成型、退火及晶化熱處理制得的；其中，按摩爾百分數計，玻璃相占20～50％，余量為晶相；晶相是由摩爾比為(3-x)：(3-x)：6：2x的K2CO3、Na2CO3、Nb2O5和BaCO3組成的，0＜x≤2.5。2.根據權利要求1所述的一種超低介電損耗的KNN基儲能微晶玻璃材料，其特征在于：玻璃相是由摩爾比為(2～4)：1的SiO2和H3BO3組成的。3.根據權利要求1所述的一種超低介電損耗的KNN基儲能微晶玻璃材料，其特征在于：玻璃相和晶相中還添加有占玻璃相和晶相總摩爾量0～4％的玻璃晶核劑。4.根據權利要求3所述的一種超低介電損耗的KNN基儲能微晶玻璃材料，其特征在于：玻璃晶核劑為CeO2。5.一種超低介電損耗的KNN基儲能微晶玻璃材料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：1)按照摩爾比為(3-x)：(3-x)：6：2x取K2CO3、Na2CO3、Nb2O5和BaCO3混合，得到晶相，其中0＜x≤2.5；將晶相和玻璃相混合，得到混合物A，向混合物A中加入占混合物A總摩爾量0～4％的玻璃晶核劑并混合均勻，得到混合物B；2)將步驟1)中的混合物B加熱直至形成均勻的熔...

【專利技術屬性】
技術研發人員：蒲永平，鄭晗煜，
申請(專利權)人：陜西科技大學，
類型：發明
國別省市：陜西,61