高儲能密度的鈮酸鍶鈉基玻璃陶瓷儲能材料及制備與應用
【技術領域】
[0001] 本發明涉及電介質儲能材料領域，具體涉及一種高儲能密度的鈮酸鍶鈉基玻璃陶 瓷儲能材料及制備與應用。
【背景技術】
[0002] 近年來，脈沖功率技術在全電動軍艦、電磁軌道炮武器、混合動力汽車、受控激光 核聚變等國防及現代工業技術領域中得到了廣泛的應用。在脈沖技術中，電容器是脈沖功 率系統優先選擇的重要的儲能元件。介電儲能電容器在高儲能密度、快速充放電性能以及 穩定性等方面的要求越來越高。因此，這就需要探尋具有高儲能密度的電解質材料，從而制 造出能量密度高、性能好的電容器。現有材料的儲能密度，還未出現明顯突破，而儲能裝置 的體積在整個脈沖裝置中占有很大一部分，這也大大制約了脈沖裝置向小型化、輕型化的 發展。因此，目前為了滿足脈沖功率系統的小型化和高儲能密度的要求，各國材料工作者正 積極探索研究具有高介電常數、低接電損耗和高耐壓強度的介質材料。
[0003] 玻璃陶瓷是采用高溫熔融-快速冷卻法制備出玻璃基體，再經過可控析晶法制備 成玻璃陶瓷。目前，許多學者通過優化組分來研究玻璃陶瓷介電性能和儲能特性的影響。 Shuangxi Xue等人研究了鋇鈉比對銀酸鋇鈉基玻璃陶瓷材料儲能性能的影響，研究表明， 當鋇鈉比達到合適比例時，儲能密度達到最大5.12J/cm 3(Shuangxi Xue，et al .Ceramics International，2014,40:7495-7499),以及添加稀土對鈮酸鋇鈉基玻璃陶瓷性能的影響， 其中儲能密度最大值達到8.4J/cm 3(Shuangxi Xue,et al.Ceramics International， 2015，41: S441-S446);而Jun Du等人研究的鈮酸鋇鈉基玻璃陶瓷的儲能密度為1.87J/cm3 (J. Phys. : Conf. Ser .，2009，152:0212061)。Shi Xiao研究了鈮酸鍶鉀鋁硅玻璃陶瓷材料的 晶化行為和介電性能，他們發現，體系隨著這溫度的增加耐擊穿場強減小而介電常數先增 加后減小，相應的儲能密度先增加后減小，最大儲能密度為4.41 J/cm3。0. F. Han等人通過改 變鍶鉛比對鈮酸鹽玻璃陶瓷儲能性能進行了優化，研究發現，隨著鍶鉛比增加，介電常數先 增大后減小，耐擊穿場強一直減小，相應的玻璃陶瓷材料的儲能密度先增大后減小，當鍶鉛 比達到合適的比時，儲能密度達到最大為2 · 27J/cm3(Ceramics International，2012，38: 6903-6906) Auohua Chen等人研究了鈮酸鋇鍶鈉硼硅玻璃的儲能密度為4J/cm3( Journal of electronceramics，2011，27:78-82)〇
[0004] 與傳統陶瓷材料相比，鈮酸鍶鈉基玻璃陶瓷具有一些明顯的優勢，如何將鈮酸鍶 鈉基玻璃陶瓷用于儲能材料的開發上，成為研究的熱點。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種儲能密度高、耐 擊穿性能好的高儲能密度的鈮酸鍶鈉基玻璃陶瓷儲能材料及制備與應用。
[0006] 本發明的目的可以通過以下技術方案來實現:一種高儲能密度的鈮酸鍶鈉基玻璃 陶瓷儲能材料，該鈮酸鍶鈉基玻璃陶瓷儲能材料包括3抑、他 20、他205、5102四種成分，且四 種物質的摩爾比為 SrO:Na20:Nb2〇5:Si〇2 = 42x:42(l-x):28:30。
[0007] 所述的X的值為0.5~0.9。
[0008] -種如上述高儲能密度的鈮酸鍶鈉基玻璃陶瓷儲能材料的制備方法，該方法包括 以下幾個步驟：
[0009] (1)以5冗〇3、他2〇)3、他2〇5和31〇2，作為原料，按摩爾比為31〇:恥2〇 :恥2〇5:31〇2 = 42x:42( 1-x): 28:30，所述的X的值為0.5~0.9稱取原料；
[0010] (2)原料經球磨混料后，烘干，并進行高溫熔化，制得高溫熔體；
[0011] (3)將步驟(2)所得的高溫熔體澆注至預熱的金屬模具中，去應力退火，制得透明 玻璃，并將該透明玻璃切割成厚度為〇. 9~1.2mm的玻璃薄片；
[0012] (4)將步驟(3)制得的玻璃薄片進行受控析晶，即制得所述的鈮酸鍶鈉基玻璃陶瓷 儲能材料。
[0013]所述的SrC〇3、Na2C〇3、Nb2〇5和Si〇2的純度大于99wt% ;
[0014] 步驟(2)所述的球磨混料的時間為16h，所述的高溫熔化的溫度為1500°C，高溫熔 化的時間為3h;優選步驟(2)中添加酒精的目的為使原料保持濕潤，更容易球磨混料;經高 溫融化后的SrC0 3、Na2C03分解成SrO和Na20，成為鈮酸鍶鈉基玻璃陶瓷儲能材料的一部分。
[0015] 步驟(3)所述的去應力退火的溫度為600°C，所述的去應力退火的時間為5h。
[0016] 步驟(4)所述的受控析晶的溫度為800°C~1000°C，保溫時間為3h。
[0017] -種上述高儲能密度的鈮酸鍶鈉基玻璃陶瓷儲能材料的應用，該鈮酸鍶鈉基玻璃 陶瓷儲能材料應用于儲能電容器材料。
[0018] 本發明基于 42111〇1%(叉51(：〇3、（11)似2〇)3)-28111〇1%恥2〇5-3〇111〇1%51〇2配料，其中 x = 0.5~0.9;通過調整SrC03和Na2C03摩爾比之后的玻璃陶瓷，物相結構與顯微結構明顯改 善，以及耐擊穿場強顯著提高，當x = 0.8時，耐擊穿場強達到最優值2402kV/cm，理論儲能密 度達到 16.86J/cm3〇
[0019] 與現有技術相比，本發明的有益效果體現在以下幾方面：
[0020] (1)通過改變陶瓷成分配比，能夠有效減少雜相，改善顯微結構，提高陶瓷玻璃的 致密度，從而改善了耐擊穿場強，所以使其儲能密度得到明顯提高；
[0021] (2)體系簡單，制備方法簡單，無需復雜的后處理步驟，經濟實用，制得的鈮酸鍶鈉 基玻璃陶瓷儲能材料的晶相結構規整，基本無枝狀晶體生成，具有優異的耐擊穿場強性能， 儲能密度得到顯著提高。
【附圖說明】
[0022]圖1是實施例1~4的鈮酸鍶鈉基玻璃陶瓷材料的X射線衍射分析圖(XRD);
[0023]圖2是實施例1~4的鈮酸鍶鈉基玻璃陶瓷材料的SEM圖；
[0024]圖3是實施例1~4的鈮酸鍶鈉基玻璃陶瓷材料的介電溫譜和介電損耗圖；
[0025]圖4是實施例1~4的鈮酸鍶鈉基玻璃陶瓷的耐擊穿場強的Weibull分布圖；
[0026]圖中，er為介電常數，tanS為介電損耗，Ei為第i個測試樣品的耐擊穿場強，η為耐擊 穿場強值的總和，Eb為通過Weibull分布得到的耐擊穿場強。
【具體實施方式】
[0027] 下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前提下進行 實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施 例。
[0028] 在整個說明書中所使用的縮寫具有下述含義，除非文中明顯另有所指：°C =攝氏 度，kV =千伏特，cm=厘米;mol =摩爾，h =小時;min =分鐘，mol% =摩爾百分比。各種原料 和試劑均購自商業供應商，未經進一步純化，除非另有說明。易受潮的原料和試劑均存放于 全密封瓶中，并直接使用，均未經過特殊處理。
[0029] 實施例1
[0030] -種高儲能密度的鈮酸鍶鈉基玻璃陶瓷儲能材料的制備方法，該方法包括以下幾 個步驟：
[0031] (1)以純度大于99wt %的SrC〇3、Na2C〇3、Nb2〇5和S