本发明专利技术涉及一种稀土掺杂钛酸锶钡基玻璃陶瓷储能材料及其制备方法，所述的稀土掺杂钛酸锶钡基玻璃陶瓷储能材料的化学成分符合化学通式(Ba0.4Sr0.6)TiO3-30mol％(Ba-B-Al-Si-O)-x/2mol％M2O3，其中，M为La、Gd或Yb中的一种，x＝0～2，Ba-B-Al-Si-O无碱玻璃成分按物质的量百分比为12％BaO、63％SiO2、16％B2O3、9％Al2O3，制备时，按(Ba0.4Sr0.6)TiO3-30mol％(Ba-B-Al-Si-O)-x/2mol％M2O3进行配料，经球磨混料后，烘干，再进行高温熔化反应，并将高温熔体快速浇注至金属模具中成型，随后去应力退火，切割成厚度为0.8～1.2mm的玻璃薄片，再受控析晶，即制得所述的稀土掺杂钛酸锶钡基玻璃陶瓷储能材料。与现有技术相比，本发明专利技术制备方法简单，无需复杂的后处理步骤，经济实用，制得的玻璃陶瓷储能材料具有优异的耐击穿场强性能，储能密度得到显著提高。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于电介质储能材料领域，涉及一种钛酸锶钡基玻璃陶瓷储能材料及其制 备方法，尤其是涉及一种高储能密度稀土掺杂钡硼铝硅玻璃体系的钛酸锶钡基玻璃陶瓷材 料及其制备方法。
技术介绍
随着脉冲技术的不断发展，介电储能电容器在高储能密度、快速充放电性能以及 稳定性等方面的要求越来越高。这是因为现有材料的储能密度，还未出现明显突破，而储能 装置的体积在整个脉冲装置中占有很大一部分，这也大大制约了脉冲装置向小型化、轻型 化的发展。因此，目前为了满足脉冲功率系统的小型化和高储能密度的要求，各国材料工作 者正积极探索研宄具有高介电常数、低接电损耗和高耐压强度的介质材料。 玻璃陶瓷是采用高温熔融-快速冷却法制备出玻璃基体，再经过可控析晶法制备 成玻璃陶瓷。与传统钛酸锶钡材料相比，钛酸锶钡基玻璃陶瓷具有一些明显的优势，例如， 晶粒细小基本已经达到纳米级别，能够均勾分布在玻璃基体里，结构致密，基本无孔洞，能 大大提高耐击穿性能，在介电材料领域中拥有广阔的应用前景。钛酸锶钡兼具有钛酸钡的 高介电常数特点和钛酸锶的高耐击穿场强及优异的温度稳定性特点，同时，据报道钡硼铝 硅无碱玻璃具有很高的耐击穿场强。研宄结果表明，钛酸锶钡基钡硼铝硅玻璃体系的玻璃 陶瓷具有较好的储能特性。 目前，也有许多学者研宄了掺杂对玻璃陶瓷储能特性的影响。Wang，XR等人研 宄了添加不同含量的此02对钛酸锶钡玻璃陶瓷介电性能的影响，研宄表明，随着添加量 的逐渐增大，介电常数也逐渐增大直到最大值（具体内容详见2012年第38卷Ceramics International第57至60页）；Wang，XR等人还研宄了 AF#杂钛酸锶钡玻璃陶瓷可有效 改善显微结构，提高介电常数和储能密度（具体内容详见2013年第10卷第2期Journal of American Ceramic Society第301至306页）；Yi Zhou等人研宄发现，银酸盐玻璃陶 瓷中添加适量的La2O3，微观结构和介电常数都得到了明显优化，从而提高了储能密度（具 体内容详见 2013 年第 92 卷第 2 期 Journal of American Ceramic Society 第 372 至 375 页）；Yuming Tian等人研宄了添加 Lu2O3银酸盐玻璃陶瓷，研宄表明，当添加量超过Imol % 时，能够产生一种新的杂项相LuNbO4，此外耐击穿场强也有所提高（具体内容详见2014年 Journal of American Ceramic Society 第 I 至 4 页）。 目前，铁电玻璃陶瓷虽然较与传统的铁电陶瓷材料，耐击穿场强大大提高，但是由 于其微观结构中存在着枝状晶，使得其耐击穿场强远低于理想值。 申请号为201410010280. 4的中国专利技术专利，公布了一种钛酸锶钡基玻璃陶瓷 储能材料的制备方法，按 X mol% (Baa4SrQ.6)Ti03-y mol% (Ba-B-Al-Si-O)配料，其中， Ba-B-Al-Si-O 玻璃成分按物质的量百分比为 12% Ba0、63% Si02、16% B203、9% Al203;x+y =100,经球磨混料后烘干，高温熔化；将高温熔体浇注至金属模具中，去应力退火，然后经 切割得厚度为〇. 8~I. 2mm的玻璃薄片；将玻璃薄片在常规炉或微波炉中进行受控析晶，制 得具有高储能密度的玻璃陶瓷电介质。上述专利制备所得的玻璃陶瓷材料储能性能虽有较 大提高，但该专利制得的玻璃陶瓷材料中仍然存在枝状晶，这也大大制约了其自身耐击穿 场强和储能密度的提高。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高储能密度稀 土掺杂钡硼铝硅玻璃体系的钛酸锶钡基玻璃陶瓷材料及其制备方法。 本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现： 一种稀土掺杂钛酸锶钡基玻璃陶瓷储能材料，所述的稀土掺杂钛酸锶钡基玻璃陶 瓷储能材料的化学成分符合化学通式（Ba a4Sra6) Ti03-30mol % (Ba-B-Al-Si-O) -x/2mol % M2O3，其中，M为La、Gd或Yb中的一种，x = 0~2, Ba-B-Al-Si-O无碱玻璃成分按物质的量 百分比为 12% Ba0、63% Si02、16% B203、9% A1203。 优选的，所述的x = 0~1。 一种稀土掺杂钛酸锶钡基玻璃陶瓷储能材料的制备方法，该方法具体包括以下步 骤： (1)以 8&0)3、5『(：03、1102、5102、八1 203、8203、1^20 3、6(1203、￥13203为原料，按（83 (|.451'0.6) Ti03-30mol% (Ba-B-Al-Si-0)-x/2mol% M2O3进行配料，其中，M 为 La、Gd 或 Yb 中的一种，X =0~2，Ba-B-Al-Si-0无碱玻璃成分按物质的量百分比为12% Ba0、63% Si02、16% B203、 9% Al2O3; (2)将步骤⑴的配料经球磨混料后，烘干，并进行高温熔化，制得高温熔体； (3)将步骤（2)制得的高温熔体浇注至预热的金属模具中，去应力退火，制得透明 玻璃，并将该透明玻璃切割成厚度为〇. 8~I. 2mm的玻璃薄片； (4)将步骤（3)制得的玻璃薄片进行受控析晶，即制得所述的稀土掺杂钛酸锶钡 基玻璃陶瓷储能材料。 步骤（1)所述的 BaC03、SrC03、Ti02、Si02、A1 203、B203、La20 3、Gd203、Yb2O3的纯度大 于 99. 2wt%。 步骤（I)所述的出&(|.451'(|. 6)1103成分中，BaCOjP SrCO3的摩尔数之和按摩尔量计 过量I. 1~1. 3倍。 优选的，所述的BaCOjP SrCO 3的摩尔数之和按摩尔量计过量1. 15~1. 25倍。 步骤⑴所述的M的添加量优选为0~Imol %。 步骤（2)所述的球磨混料的时间为10~20h，优选12~16h，所述的高温熔化的 温度为1550~1650°C，优选1580~1620°C，所述的高温熔化的时间为2~4h，优选2~ 2. 5h〇 步骤（3)所述的去应力退火的温度为600~700°C，优选650~680°C，所述的去 应力退火的时间为4~6h，优选5h。 步骤（4)所述的受控析晶的温度为900~1100°C，优选1000~1100°C，保温时间 为1~3h，优选2. 5~3h。 本专利技术通过稀土元素的添加，能够有效减少杂项，改善显微结构，抑制枝状晶体的 生成，以改善耐击穿场强，从而使其理论密度得到明显提高。 本专利技术基于（Baa4Sra6)TiO3-SOmol^ (Ba-B-Al-Si-O) - x/2mol % M2O3配料，其中 X = 0~2 ;M = La，Gd，Yb ;Ba-B-Al-Si-0无碱玻璃成分按物质的量百分比为12% BaO、 63% Si02、16% B203、9% Al2O3，掺杂稀土元素后的玻璃陶瓷，物相结构与显微结构明显改 善，耐击穿场强显著提高，并且随着掺杂的稀土元素离子半径的减小，耐击穿场强增大，当 添加0· 5mol% Yb3+时，耐击穿场强达到最优值1470kV/cm，理论储能密度达本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种稀土掺杂钛酸锶钡基玻璃陶瓷储能材料，其特征在于，所述的稀土掺杂钛酸锶钡基玻璃陶瓷储能材料的化学成分符合化学通式(Ba0.4Sr0.6)TiO3‑30mol％(Ba‑B‑Al‑Si‑O)‑x/2mol％M2O3，其中，M为La、Gd或Yb中的一种，x＝0～2，Ba‑B‑Al‑Si‑O无碱玻璃成分按物质的量百分比为12％BaO、63％SiO2、16％B2O3、9％Al2O3。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：翟继卫，张文琴，沈波，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海;31
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