一种具有优异储能性能的玻璃陶瓷材料及其制备方法

本发明涉及玻璃陶瓷材料，具体是一种具有优异储能性能的玻璃陶瓷材料及其制备方法。

背景技术：

1、玻璃陶瓷因含有高介电常数的铁电相和高击穿强度的玻璃相，而受到人们的广泛关注，其性能主要取决于晶相、玻璃相的化学组成及其相对含量，合适的玻璃相含量，使玻璃陶瓷可以集中陶瓷和玻璃的双重优点，从而获得性能更优异的玻璃陶瓷材料，但是，目前很少人去考虑晶相与玻璃相互相匹配的问题。因此，现有的玻璃陶瓷内部含碱玻璃的网络结构比较松弛，晶体与玻璃之间存在大量的界面，在施加外电场后，碱金属离子容易发生大量迁移，过多的电荷聚集在界面处，极易产生界面极化，而界面极化势必会影响击穿强度，从而劣化储能性能。因此，亟需提供一种具有更优的新型的玻璃陶瓷材料，使其具有合适的玻璃相含量，从而提高其储能性能。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种具有优异储能性能的玻璃陶瓷材料及其制备方法，提高了玻璃陶瓷材料的击穿场强、储能密度和储能效率。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、一种具有优异储能性能的玻璃陶瓷材料，化学通式为(1-x)(0.5na2o-0.5nb2o5)-x(0.87sio2-0.13bao)，式中，0.1≤x≤0.3。

4、进一步地，化学式为0.8(0.5na2o-0.5nb2o5)-0.2(0.87sio2-0.13bao)。

5、一种具有优异储能性能的玻璃陶瓷材料的制备方法，包括如下步骤：

6、步骤1、将35～45mol na2co3、35～45mol nb2o5、8.7～26.1mol sio2和1.3～3.9molbaco3混合均匀，并加入已预热至1300～1400℃的坩埚内，接着升温至1500℃并保温至混合物完全熔融，得到熔体a；

7、步骤2、将熔体a倒入已预热至200～500℃的模具中，接着将模具快速转移至已提前升温至500～600℃的退火炉中并保温，随炉冷却后，得到玻璃样品b；

8、步骤3、将玻璃样品b放入马弗炉，以5℃/min的升温速率自室温升温至800～1000℃并保温1h，使玻璃样品晶化，随炉冷却后，得到具有优异储能性能的玻璃陶瓷材料。

9、进一步地，所述步骤1中na2co3、nb2o5、sio2和baco3分别为40mol、40mol、17.4mol和2.6mol。

10、进一步地，所述步骤2的模具由纯铜制成。

11、进一步地，所述步骤2的保温时间为5～10h。

12、进一步地，所述步骤3的晶化温度为900℃。

13、本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：

14、本发明通过改变玻璃相含量，调控玻璃陶瓷材料(1-x)(0.5na2o-0.5nb2o5)-x(0.87sio2-0.13bao)中陶瓷晶体与玻璃的比例，使晶相与玻璃相的含量更加匹配，使其同时具备玻璃和陶瓷的双重优异性能，另外，在玻璃相中引入ba2+填充玻璃网络中的空隙，激发了“压制效应”，虽然二价金属阳离子本身可以作为载流子参与导电，但如果组成中同时存在一价金属阳离子时，ba2+较大的离子半径，可以有效地阻碍碱金属离子的迁移，从而增加了玻璃陶瓷材料的电阻率，提升玻璃陶瓷材料的击穿场强和储能效率。

15、当玻璃相含量x＝0.2时，晶粒之间在微观上形成了柱状互锁结构，使微晶玻璃表现出更高的强度、断裂韧性和致密度，使玻璃陶瓷材料的击穿场强高达450kv/cm，储能效率为95％，储能密度为2.1j/cm3。

16、本发明采用熔融法制备(1-x)(0.5na2o-0.5nb2o5)-x(0.87sio2-0.13bao)玻璃陶瓷材料的方法简便，工艺流程简单，制备的玻璃陶瓷材料有望替代传统陶瓷材料，成为性能优异的候选储能材料之一。

技术特征：

1.一种具有优异储能性能的玻璃陶瓷材料，其特征在于，化学通式为(1-x)(0.5na2o-0.5nb2o5)-x(0.87sio2-0.13bao)，式中，0.1≤x≤0.3。

2.根据权利要求1所述的具有优异储能性能的玻璃陶瓷材料，其特征在于，化学式为0.8(0.5na2o-0.5nb2o5)-0.2(0.87sio2-0.13bao)。

3.一种如权利要求1或2所述的具有优异储能性能的玻璃陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

4.根据权利要求3所述的具有优异储能性能的玻璃陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中na2co3、nb2o5、sio2和baco3分别为40mol、40mol、17.4mol和2.6mol。

5.根据权利要求3所述的具有优异储能性能的玻璃陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2的模具由纯铜制成。

6.根据权利要求3所述的具有优异储能性能的玻璃陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2所述步骤2的保温时间为5～10h。

7.根据权利要求3所述的具有优异储能性能的玻璃陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述步骤3的晶化温度为900℃。

技术总结本发明公开了一种具有优异储能性能的玻璃陶瓷材料及其制备方法，玻璃陶瓷材料的化学通式为(1‑x)(0.5Na<subgt;2</subgt;O‑0.5Nb<subgt;2</subgt;O<subgt;5</subgt;)‑x(0.87SiO<subgt;2</subgt;‑0.13BaO)，式中，0.1≤x≤0.3；制备方法包括：步骤1、将Na<subgt;2</subgt;CO<subgt;3</subgt;、Nb<subgt;2</subgt;O<subgt;5</subgt;、SiO<subgt;2</subgt;和BaCO<subgt;3</subgt;混合均匀，并加入已预热至1300～1400℃的坩埚内，接着升温至1500℃并保温至混合物完全熔融，得到熔体A；步骤2、将熔体A倒入已预热至200～500℃的模具中，接着将模具快速转移至已提前升温至500～600℃的退火炉中并保温，随炉冷却后，得到玻璃样品B；步骤3、将玻璃样品B放入马弗炉，以5℃/min的升温速率自室温升温至800～1000℃并保温1h，使玻璃样品晶化，随炉冷却后，得到玻璃陶瓷材料，不仅制备方法简单，而且制备的玻璃陶瓷材料具有优异的击穿场强、储能密度和储能效率。技术研发人员：蒲永平,蒿毓鑫,潘乔,李昊泽受保护的技术使用者：陕西科技大学技术研发日：技术公布日：2024/6/13