一種可高儲(chǔ)能的硼酸鹽微晶玻璃介質(zhì)材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種高儲(chǔ)能的硼酸鹽微晶玻璃介質(zhì)材料及其制備方法，其制備方法是以SrCO3、BaCO3、Nb2O5、H3BO3為主要起始原料，摻雜不同含量SrF2和Gd2O3，按照設(shè)定的組成配料，配合料經(jīng)濕法球磨混勻、烘干，然后在1350℃熔化保溫30-60min熔化成均勻的玻璃液，再經(jīng)快速成型、退火得到高致密度、無氣孔的均勻基礎(chǔ)玻璃，然后基礎(chǔ)玻璃在一定溫度下晶化熱處理得到微晶玻璃電介質(zhì)材料。由該方法制備微晶玻璃材料的介電常數(shù)30-136可調(diào)，直流擊穿強(qiáng)度879-1210kV/cm可調(diào)，儲(chǔ)能密度最高達(dá)6.94J/cm3，可用于各種高儲(chǔ)能密度及超高壓電容器的制造。
【專利說明】一種可高儲(chǔ)能的硼酸鹽微晶玻璃介質(zhì)材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種儲(chǔ)能介質(zhì)材料,特別是一種可高儲(chǔ)能的硼酸鹽微晶玻璃介質(zhì)材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]儲(chǔ)能介質(zhì)材料可把較小功率的能量以較長時(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。
[0003]儲(chǔ)能電介質(zhì)材料比較常見的有陶瓷、聚合物及通過不同材料復(fù)合而成的復(fù)合材料等。陶瓷材料的介電常數(shù)高，但其擊穿強(qiáng)度低；聚合物材料有較高的擊穿強(qiáng)度，但其介電常數(shù)普遍較低。正是由于上述缺點(diǎn)的存在，使得它們的儲(chǔ)能密度提升空間較小，大大限制了該兩種材料在儲(chǔ)能領(lǐng)域的發(fā)展。而復(fù)合材料具有介電常數(shù)大和擊穿場強(qiáng)高的優(yōu)點(diǎn)，在提高儲(chǔ)能特性方面有很大的發(fā)展?jié)摿Γ虼说玫搅吮姸嘌芯空叩年P(guān)注。微晶玻璃屬于復(fù)合材料的一種，研究發(fā)現(xiàn)微晶玻璃在儲(chǔ)能密度方面的理論數(shù)值要比常規(guī)的電介質(zhì)高出一個(gè)數(shù)量級，可見微晶玻璃在儲(chǔ)能領(lǐng)域具有巨大的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的應(yīng)用前景。
[0004]微晶玻璃又叫微晶玻璃，是通過將一定組分的粉體熔制成玻璃后再進(jìn)行可控?zé)崽幚恚咕w從玻璃基體中析出，從而得到兼具陶瓷相與玻璃相共存的多晶復(fù)合材料。其優(yōu)點(diǎn)是通過調(diào)整組分及熱處理工藝可方便調(diào)控介電性能。目前關(guān)于微晶玻璃介質(zhì)材料的研究主要集中在含鉛的硅酸鹽體系和硼硅酸鹽體系，這些體系因熔化溫度過高或有毒元素鉛的存在使之與節(jié)能環(huán)保的理念相悖，所以有必要探索一種滿足應(yīng)用需求而又環(huán)保的儲(chǔ)能微晶玻璃介質(zhì)材料。`

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供一種可高儲(chǔ)能的硼酸鹽微晶玻璃介質(zhì)材料及其制備方法。該方法所制備的介質(zhì)材料具有高的擊穿場強(qiáng)、高的介電常數(shù)及高的儲(chǔ)能密度，從而解決了目前微晶玻璃電介質(zhì)材料制備中所存在的不足。
[0006]本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
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:0.144Sr0*0.176Ba0.0.32Nb205.0.36B203.XSrF2.yGd203，其中 SrF2'Gd2O3 為外加組分，其摩爾百分?jǐn)?shù)為:x=0-0.5 ；y=0.5-2.00
[0007]上述可高儲(chǔ)能的硼酸鹽微晶玻璃介質(zhì)材料的制備方法，它是通過向基礎(chǔ)玻璃體系添加不同含量的氟化鍶和氧化釓，利用高溫熔融和后續(xù)熱處理可控析晶方法，制備微晶玻璃材料，具體步驟如下:(1)以分析純(純度≥99%) SrC03、BaC03、Nb205、H3B03、SrFdP高純度(99.9%) Gd2O3為起始原料，按照 0.144 Sr0.0.176 Ba0.0.32 Nb2O5.0.36 B2O3.x SrF2.y Gd2O3 的比例配料，然后將這些原料在球磨機(jī)中濕法球磨12h，烘干后置于坩堝中在1350°C保溫30-60min熔制成均勻的玻璃液；
(2)將步驟(1)的玻璃液迅速澆注至金屬模具中成型，然后在550°C的退火爐中退火8h消除應(yīng)力，然后切割成面積為I~2cm2的矩形玻璃片；
(3)將步驟(2)制備的玻璃片進(jìn)行熱處理受控析晶，該過程分為兩步:首先在630℃保溫2h核化，然后在700~800 °C保溫3h晶化，得到主晶相為鈮酸鍶鋇(Sra5Baa5Nb2O6)的微晶玻璃電介質(zhì)材料；
(4)將步驟(3)獲得的微晶玻璃材料薄片進(jìn)行加工處理，拋磨成厚度為0.05~1mm的薄片；
(5)將步驟(4)得到的微晶玻璃薄片經(jīng)過絲網(wǎng)印刷或手工涂覆粘結(jié)性能和導(dǎo)電性良好的中溫銀漿料，在600°C下燒結(jié)固化形成金屬銀電極，即制得微晶玻璃介質(zhì)材料。
[0008]所述磨球?yàn)檠趸喦颍蚰ソ橘|(zhì)為無水乙醇或去離子水。
[0009]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。
[0010]所述的中溫銀漿料的來源為市售。
[0011]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是，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；同時(shí)降低了熔制玻璃的溫度，達(dá)到了節(jié)能環(huán)保的目的。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是實(shí)施例1、5和8中所制備的微晶玻璃的XRD圖譜。
[0013]圖2是實(shí)施例1、2、3和4中所制備的微晶玻璃的介電擊穿強(qiáng)度的韋伯(weibull)分布圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014]本發(fā)明低溫制備硼酸鹽微晶玻璃介質(zhì)材料的方法可以通過下列非限定性實(shí)施例得到更加清楚的描述。
[0015]實(shí)施例1
一種儲(chǔ)能硼酸鹽微晶玻璃介質(zhì)材料的制備方法，其組成中有外加SrF2和Gd203。
[0016]1、以分析純(純度≥ 99%) SrCO3> BaCO3> Nb2O5, H3B03、SrF2 和高純(99.9%) Gd2O3 為起始原料，按照0.144Sr0.0.176Ba0.0.32Nb205.0.36B203的比例配料，原料總用量為0.5摩爾。然后外加0.5% SrF2和0.5% Gd2O3 (摩爾百分?jǐn)?shù))。將這些原料在球磨機(jī)中濕法球磨12h，烘干后在1350°C保溫30min熔制成均勻玻璃液；
2、將步驟I熔化好的玻璃液迅速澆注至金屬模具中壓制成型，然后在550°C的退火爐中退火8 h消除應(yīng)力，最后切割成面積為Icm2左右的矩形玻璃片；
3、將步驟2制備的玻璃片進(jìn)行熱處理受控析晶，該過程分為兩步:首先在630°C保溫2h核化，然后在800°C保溫3 h晶化，得到微晶玻璃樣品；4、將步驟3獲得的微晶玻璃材料薄片進(jìn)行加工處理，拋磨成厚度為0.05~Imm的薄
片;
5、將步驟4得到的微晶玻璃薄片經(jīng)過絲網(wǎng)印刷或手工涂覆粘結(jié)性能和導(dǎo)電性良好的銀漿(貴研鉬業(yè)公司購得)，在600°C下燒結(jié)固化形成金屬銀電極，即制得微晶玻璃電介質(zhì)材料。
[0017]所得微晶玻璃材料經(jīng)測試，其介電常數(shù)為136，介電損耗為0.012，擊穿場強(qiáng)為1075KV/cm，儲(chǔ)能密度為6.94 J/cm3。測試條件:介電常數(shù)和介電損耗為頻率1kHz，溫度室溫；擊穿強(qiáng)度是以硅油為介質(zhì)，室溫測試。
[0018]實(shí)施例2
一種儲(chǔ)能硼酸鹽微晶玻璃介質(zhì)材料的制備方法，按實(shí)施例1的方法步驟進(jìn)行，不同的是:其組成中有外加SrF2和Gd2O3 ;配料添加的Gd2O3的量為0.1% (摩爾百分?jǐn)?shù))。
[0019]所得微晶玻璃材料經(jīng)測試，其介電常數(shù)為132，介電損耗為0.011，擊穿場強(qiáng)為1050KV/cm，儲(chǔ)能密度為6.44 J/cm3。測試條件:介電常數(shù)和介電損耗為頻率1kHz，溫度室溫；擊穿強(qiáng)度是以硅油為介質(zhì)，室溫測試。
[0020]實(shí)施例3
一種儲(chǔ)能硼酸鹽微晶玻璃介質(zhì)材料的制備方法，按實(shí)施例1的方法步驟進(jìn)行，不同的是:其組成中有外加SrF2和Gd2O3 ;配料添加的Gd2O3的量為1.5% (摩爾百分?jǐn)?shù))。
[0021]所得微晶玻璃材料經(jīng)測試，其介電常數(shù)為112，介電損耗為0.009，擊穿場強(qiáng)為951KV/cm，儲(chǔ)能密度為4.48 J/cm3。測試條件:介電常數(shù)和介電損耗為頻率1kHz，溫度室溫；擊穿強(qiáng)度是以硅油為介質(zhì)，室溫測試。
[0022]實(shí)施例4
一種儲(chǔ)能硼酸鹽微晶玻璃介質(zhì)材料的制備方法，按實(shí)施例1的方法步驟進(jìn)行，不同的是:其組成中有外加SrF2和Gd2O3 ;配料添加的Gd2O3的量為2.0% (摩爾百分?jǐn)?shù))；烘干后在1350°C保溫60min，溶制成均勻玻璃液。
[0023]所得微晶玻璃材料經(jīng)測試，其介電常數(shù)為90，介電損耗為0.007,擊穿場強(qiáng)為879KV/cm，儲(chǔ)能密度為3.08 J/cm3。測試條件:介電常數(shù)和介電損耗為頻率1kHz，溫度室溫；擊穿強(qiáng)度是以硅油為介質(zhì)，測試溫度為室溫。
[0024]實(shí)施例5
一種儲(chǔ)能硼酸鹽微晶玻璃介質(zhì)材料的制備方法，按實(shí)施例1的方法步驟進(jìn)行，不同的是:其組成中有外加Gd2O3 ;配料添加的Gd2O3的量為0.5 % (摩爾百分?jǐn)?shù))；在700°C保溫3h晶化，得到微晶玻璃電介質(zhì)；
所得微晶玻璃材料經(jīng)測試，其介電常數(shù)為53，介電損耗為0.0078,擊穿場強(qiáng)為1180KV/cm，儲(chǔ)能密度為3.27 J/cm3。測試條件:介電常數(shù)和介電損耗為頻率1kHz，溫度室溫；擊穿強(qiáng)度是以硅油為介質(zhì)，測試溫度為室溫。
[0025]實(shí)施例6
一種儲(chǔ)能硼酸鹽微晶玻璃介質(zhì)材料的制備方法，按實(shí)施例1的方法步驟進(jìn)行，不同的是:其組成中有外加Gd2O3 ;配料添加的Gd2O3的量為1.0 % (摩爾百分?jǐn)?shù))，球磨烘干后保溫45min熔制成均勻玻璃液。
[0026]所得微晶玻璃材料經(jīng)測試，其介電常數(shù)為40，介電損耗為0.0081，擊穿場強(qiáng)為1210KV/cm，儲(chǔ)能密度為2.59 J/cm3。測試條件:介電常數(shù)和介電損耗為頻率1kHz，溫度室溫；擊穿強(qiáng)度是以硅油為介質(zhì)，測試溫度為室溫。
[0027]實(shí)施例7
一種儲(chǔ)能硼酸鹽微晶玻璃介質(zhì)材料的制備方法，按實(shí)施例1的方法步驟進(jìn)行，不同的是:其組成中有外加Gd2O3, Gd2O3的量為2.0 % (摩爾百分?jǐn)?shù))。球磨烘干后保溫60min熔制成均勻玻璃液；在700°C保溫3 h晶化。
[0028]所得微晶玻璃材料經(jīng)測試，其介電常數(shù)為31，介電損耗為0.0039，擊穿場強(qiáng)為1202KV/cm，儲(chǔ)能密度為1.98 J/cm3。測試條件:介電常數(shù)和介電損耗為頻率1kHz，溫度室溫；擊穿強(qiáng)度是以硅油為介質(zhì)，測試溫度為室溫。
[0029]實(shí)施例8
一種儲(chǔ)能硼酸鹽微晶玻璃介質(zhì)材料的制備方法，按實(shí)施例1的方法步驟進(jìn)行，不同的是:其組成中有外加Gd2O3 ；Gd2O3的量為0.5 % (摩爾百分?jǐn)?shù));在750°C保溫3 h晶化，得到微晶玻璃電介質(zhì)；
所得微晶玻璃材料經(jīng)測試，其介電常數(shù)為102，介電損耗為0.008,擊穿場強(qiáng)為1128KV/cm，儲(chǔ)能密度為5.75 J/cm3。測試條件:介電常數(shù)和介電損耗為頻率1kHz，溫度室溫；擊穿強(qiáng)度是以硅油為介質(zhì)，測試溫度為室溫。
[0030]實(shí)施例9
一種儲(chǔ)能硼酸鹽微晶玻璃介質(zhì)材料的制備方法，按實(shí)施例1的方法步驟進(jìn)行，不同的是:其組成中有外加Gd2O3 ； Gd2O3的量為1.0 % (摩爾百分?jǐn)?shù))。
[0031]所得微晶玻璃材料經(jīng)測試，其介電常數(shù)為88，介電損耗為0.0083，擊穿場強(qiáng)為1000 KV/cm，儲(chǔ)能密度為4.71 J/cm3。測試條件:介電常數(shù)和介電損耗為頻率1kHz，溫度室溫；擊穿強(qiáng)度是以硅油為介質(zhì)，測試溫度為室溫。
[0032]實(shí)施例10
一種儲(chǔ)能硼酸鹽微晶玻璃介質(zhì)材料的制備方法，按實(shí)施例1的方法步驟進(jìn)行，不同的是:其組成中有外加Gd2O3 ；Gd2O3的量為2.0 % (摩爾百分?jǐn)?shù));球磨烘干后保溫60 min熔制成均勻玻璃液；在750°C保溫3 h晶化，得到微晶玻璃電介質(zhì)；
所得微晶玻璃材料經(jīng)測試，其介電常數(shù)為53，介電損耗為0.0048，擊穿場強(qiáng)為1120KV/cm，儲(chǔ)能密度為2.94 J/cm3。測試條件:介電常數(shù)和介電損耗為頻率1kHz，溫度室溫；擊穿強(qiáng)度是以硅油為介質(zhì)，測試溫度為室溫。
【權(quán)利要求】
1.一種可高儲(chǔ)能的硼酸鹽微晶玻璃介質(zhì)材料，其特征是:其組成化學(xué)式為:0.144Sr0.0.176Ba0.0.32Nb205.0.36B203 ^xSrF2 ^yGd2O3，其中 SrF2、Gd203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。
2.一種可高儲(chǔ)能的硼酸鹽微晶玻璃介質(zhì)材料的制備方法，其特征是:包括如下步驟: (1)以分析純(純度≤99%) SrC03、BaC03、Nb205、H3B03、SrFdP高純度(99.9%) Gd2O3 為起始原料，按照 0.144 Sr0.0.176 Ba0.0.32 Nb2O5.0.36 B2O3.x SrF2.y Gd2O3 的比例配料，然后將這些原料在球磨機(jī)中濕法球磨12h，烘干后置于坩堝中在1350°C保溫30-60min熔制成均勻的玻璃液； (2)將步驟(1)的玻璃液迅速澆注至金屬模具中成型，然后在550°C的退火爐中退火8h消除應(yīng)力，然后切割成面積為I~2cm2的矩形玻璃片； (3)將步驟(2)制備的玻璃片進(jìn)行熱處理受控析晶，該過程分為兩步:首先在630V保溫2h核化，然后在700~800 °C保溫3h晶化，得到主晶相為鈮酸鍶鋇(Sra5Baa5Nb2O6)的微晶玻璃電介質(zhì)材料； (4)將步驟(3)獲得的微晶玻璃材料薄片進(jìn)行加工處理，拋磨成厚度為0.05~Imm的薄片； (5)將步驟(4)得到的微晶玻璃薄片經(jīng)過絲網(wǎng)印刷或手工涂覆粘結(jié)性能和導(dǎo)電性良好的中溫銀漿料，在600°C下燒結(jié)固化形成金屬銀電極，即制得微晶玻璃介質(zhì)材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征是:所述磨球?yàn)檠趸喦颍蚰ソ橘|(zhì)為無水乙醇或去離子水。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制 備方法，其特征是: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。
【文檔編號】C03C10/02GK103553338SQ201310473495
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年10月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月12日
【發(fā)明者】陳國華, 宋俊, 康曉玲, 袁昌來 申請人:桂林電子科技大學(xué)