CN115925263B - 一种三明治结构的介电储能微晶玻璃及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三明治结构的介电储能微晶玻璃及其制备方法，方法包括以下步骤：步骤1、先按照通式51SiO2‑18.5Nb2O5‑8B2O3‑2.2SrO‑1.5BaO‑14.8Na2O‑4ZrO2分别取SiO2、Nb2O5、B2O3、SrCO3、BaCO3、Na2CO3、和ZrO2混合均匀，得到混合物A；再将混合物A倒入已预热至1450℃的铂金坩埚中并保温，使其充分熔化成熔液，将熔液倾倒在已预热至100℃的模具内，待其成型后迅速转移至退火炉中，自室温加热至620℃并保温，随炉冷却得到基础玻璃；步骤2、将基础玻璃放入退火炉，以5℃/min的升温速率自室温升温至650℃并保温，继续以5℃/min的升温速率自650℃升温至750℃并保温，然后随炉冷却，得到三明治结构的微晶玻璃，具有高介电常数和优异的抗击穿性能。
Description
技术领域
本发明涉及储能材料，具体是一种三明治结构的介电储能微晶玻璃及其制备方法。
背景技术
近年来，随着经济和社会的快速发展，化石能源带来的环境污染问题日益严重，迫使人们不断开发清洁可再生能源，例如太阳能、水能、风能和热能等。新能源的存储对储能系统提出了更高的要求，需要更加清洁、高效以及小型、集成的储能器件，因为储能设备的实际充放电时间受负载电阻等多种外部因素的影响，因此，目前尚没有同时具有高能量密度和高功率密度的储能设备。
相比电池以及电化学电容器等其他储能器件，介电电容器具有更高的脉冲功率，更符合各种大型器件的使用要求。现阶段，电介质电容器中研究最为广泛的电介质材料包括聚合物、聚合物-无机复合材料以及无机非金属材料三类，最常见的表现形式分别为：聚合物-陶瓷、陶瓷和微晶玻璃。其工作原理是在外加电场下通过电介质极化、正负电荷分离从而储存能量，其储能过程不涉及离子的迁移扩散和化学反应，因此，能够以更高速率进行充放电，循环次数可达百万次以上，并且安全性更高，但是，电介质电容器的能量密度至少比电池、燃料电池和电化学电容器的能量密度小数量级。因此，迫切需要开发可以显著提高电介质电容器能量密度的新型电介质材料。
衡量能量密度两个关键的参数为介电常数和击穿强度。所以研究者们一方面通过掺杂改性、固溶等方式改善材料的介电常数；另一方面通过细化晶粒、设计材料结构，比如多层陶瓷来提高材料的耐击穿性。在陶瓷材料中，三明治结构材料的研究最为广泛，但界面间的缺陷问题仍旧是一大难题，因为缺陷处会引起电荷聚集，当外加电场时，易发生电击穿。相比陶瓷材料，微晶玻璃在烧结过程中是以液相的形式存在，随着保温时间的增加，这些液相填充在颗粒间隙中，有利于消除气孔、降低孔隙率，有望提高材料击穿强度和储能密度。原因在于，在外电场作用下，晶相的内部空间电荷会在晶界周围定向和聚集，当电荷含量超过一定极限时，就会发生击穿现象，但添加玻璃相后，玻璃相存在于晶界处，其特殊的无规则网络结构使材料可以耐较高的击穿，这是因为其限制了晶体晶粒尺寸的持续增大，增加了晶界密度，减少缺陷的发生，所以微晶玻璃能够承受更大的电场。同时，微晶玻璃电介质具有绝缘电阻率高、机械强度高、不易老化、热稳定性好、介电损耗小等优点，具有重要的研究意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种三明治结构的介电储能微晶玻璃及其制备方法，制备的微晶玻璃具有高介电常数和优异的抗击穿性能。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种三明治结构的介电储能微晶玻璃的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、制备基础玻璃
步骤1.1、按照通式51SiO2-18.5Nb2O5-8B2O3-2.2SrO-1.5BaO-14.8Na2O-4ZrO2分别取SiO2、Nb2O5、B2O3、SrCO3、BaCO3、Na2CO3和ZrO2混合均匀，得到混合物A；
步骤1.2、将混合物A倒入已预热至1450℃的铂金坩埚中并保温，使其充分熔化成熔液；
步骤1.3、将熔液倾倒在已预热至100℃的模具内，使其成型，得到产物C；
步骤1.4、将产物C快速转移至退火炉中，自室温加热至620℃并保温，然后随炉冷却，得到基础玻璃；
步骤2、制备微晶玻璃
步骤2.1、将基础玻璃放入退火炉，以5℃/min的升温速率自室温升温至650℃并保温；
步骤2.2、待步骤2.1的保温结束后，继续以5℃/min的升温速率自650℃升温至750℃并保温，然后随炉冷却，得到三明治结构的微晶玻璃。
进一步地，所述步骤1.1还包括按照摩尔比1：(0.002～0.01)向混合物A中加入La2O3。
进一步地，所述步骤1.1还包括用10目筛将混合物A至少筛分3次。
进一步地，所述步骤1.2的保温时间为30min。
进一步地，所述步骤1.3将模具预热至100℃时，需保温1h。
进一步地，所述步骤1.4的保温时间为4h。
进一步地，所述步骤2.1还包括在基础玻璃放入退火炉前对其抛光处理。
进一步地，所述步骤2.1的保温时间为2h.
进一步地，所述步骤2.2的保温时间为2h。
一种三明治结构的介电储能微晶玻璃。
本发明具有如下有益效果：
本发明制备的微晶玻璃的析晶方式为表面析晶，而内部均匀致密，是其表面与内部的结构产生差异，从而呈现三明治结构，其具有高介电常数，且介电损耗低，而衡量储能材料的储能性能主要取决于介电常数、介电损耗低和击穿场强，且介电损耗越小，储能效率越高；通过计算可知本发明制备的微晶玻璃具有较高的能量密度；且其保留了电介质储能材料固有的充放电速度快、储能效率高、高功率密度以及良好的稳定性的特征，因此，本发明制备的三明治结构的介电储能微晶玻璃可以应用于电磁枪、混合动力汽车、电子系统、电子器件等领域。此外，本发明的制备工艺简单，可适用于大规模生产。
考虑到引入的玻璃相，在提高材料的抗击穿能力的同时，会导致介电常数降低，因此，为了抵消引入玻璃相所造成的介电常数降低的现象，在制备基础玻璃时，加入氧化镧添La2O3，其不仅不会使介电常数会增大，而且会降低介电损耗，由于介电常数和击穿场强跟储能密度是成正比的，因此使得三明治结构的微晶玻璃拥有更高的储能效率。
本发明对基础玻璃进行抛光，抛光可以保证晶相有序生长，在两步热处理的保温过程中，玻璃相的存在限制了晶粒的生长，从而达到细化晶粒的效果，使晶粒的尺寸较小，进一步提高了介电常数并降低了介电损耗。
附图说明
图1：本发明制备的三明治结构的介电储能微晶玻璃析晶温度曲线；
图2：本发明实施例1制备的三明治结构的介电储能微晶玻璃在扫描电子显微镜下的断面形貌图；
图3：本发明制备的三明治结构的介电储能微晶玻璃在体视镜下的形貌图；
图4：本发明制备的三明治结构的介电储能微晶玻璃的XRD图；
图5：本发明实施例1制备的三明治结构的介电储能微晶玻璃的介频-介损图；
图6：本发明实施例5制备的三明治结构的介电储能微晶玻璃的介频-介损图；
图7：本发明实施例1～实施例7制备的三明治结构的介电储能微晶玻璃的平均介电损耗变化趋势图；
图8：本发明实施例1～实施例7制备的三明治结构的介电储能微晶玻璃在20Hz的频率下介电常数变化趋势图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的具体内容做进一步详细解释说明，但不作为对本发明的限定。
实施例1
步骤1、制备基础玻璃
步骤1.1、按照通式51SiO2-18.5Nb2O5-8B2O3-2.2SrO-1.5BaO-14.8Na2O-4ZrO2分别取SiO2、Nb2O5、B2O3、SrCO3、BaCO3、Na2CO3、和ZrO2混合均匀，得到混合物A，将混合物A用10目筛筛分3次，使原料混合均匀；
步骤1.2将混合物A倒入已预热至1450℃的铂金坩埚中并保温30min，使其充分熔化成熔液；
步骤1.3、将熔液倾倒在已预热至100℃的模具内，待其成型，得到产物C；
步骤1.4、将产物C迅速转移至退火炉中，自室温加热至620℃并保温4h，然后随炉冷却，得到基础玻璃；
步骤2、制备微晶玻璃
步骤2.1、将基础玻璃抛光处理后放入退火炉，以5℃/min的升温速率自室温升温至650℃并保温2h；
步骤2.2、待步骤2.1的保温结束后，继续以5℃/min的升温速率自650℃升温至750℃并保温2h，然后随炉冷却，得到三明治结构的微晶玻璃。
采用精密阻抗分析仪，在20Hz～1MHz的测试频率下，对实施例1制备的三明治结构的微晶玻璃的阻抗和介电常数进行测定，经计算在20Hz下，其介电常数为85，介电损耗最大为0.5。
实施例2
步骤1、制备基础玻璃
步骤1.1、按照通式51SiO2-18.5Nb2O5-8B2O3-2.2SrO-1.5BaO-14.8Na2O-4ZrO2分别取SiO2、Nb2O5、B2O3、SrCO3、BaCO3、Na2CO3、和ZrO2混合均匀，得到混合物A，然后按照摩尔比0.002：1将La2O3加入混合物A中，得到混合物B，将混合物B用10目筛筛分5次，使原料混合均匀；
步骤1.2将混合物B倒入已预热至1450℃的铂金坩埚中并保温30min，使其充分熔化成熔液；
步骤1.3、将熔液倾倒在已预热至100℃的模具内，待其成型，得到产物C；
步骤1.4、将产物C迅速转移至退火炉中，自室温加热至620℃并保温4h，然后随炉冷却，得到基础玻璃；
步骤2、制备微晶玻璃
步骤2.1、将基础玻璃抛光处理后放入退火炉，以5℃/min的升温速率自室温升温至650℃并保温2h；
步骤2.2、待步骤2.1的保温结束后，继续以5℃/min的升温速率自650℃升温至750℃并保温2h，然后随炉冷却，得到三明治结构的微晶玻璃。
采用精密阻抗分析仪，在20Hz～1MHz的测试频率下，对实施例2制备的三明治结构的微晶玻璃的阻抗和介电常数进行测定，经计算在20Hz下，其介电常数为78，介电损耗最大为0.46。
实施例3
步骤1、制备基础玻璃
步骤1.1、按照通式51SiO2-18.5Nb2O5-8B2O3-2.2SrO-1.5BaO-14.8Na2O-4ZrO2分别取SiO2、Nb2O5、B2O3、SrCO3、BaCO3、Na2CO3、和ZrO2混合均匀，得到混合物A，然后按照摩尔比0.004：1将La2O3加入混合物A中，得到混合物B，将混合物B用10目筛筛分4次，使原料混合均匀；
步骤1.2将混合物B倒入已预热至1450℃的铂金坩埚中并保温30min，使其充分熔化成熔液；
步骤1.3、将熔液倾倒在已预热至100℃的模具内，待其成型，得到产物C；
步骤1.4、将产物C迅速转移至退火炉中，自室温加热至620℃并保温4h，然后随炉冷却，得到基础玻璃；
步骤2、制备微晶玻璃
步骤2.1、将基础玻璃抛光处理后放入退火炉，以5℃/min的升温速率自室温升温至650℃并保温2h；
步骤2.2、待步骤2.1的保温结束后，继续以5℃/min的升温速率自650℃升温至750℃并保温2h，然后随炉冷却，得到三明治结构的微晶玻璃。
采用精密阻抗分析仪，在20Hz～1MHz的测试频率下，对实施例3制备的三明治结构的微晶玻璃的阻抗和介电常数进行测定，经计算在20Hz下，其介电常数为85，介电损耗最大为0.49。
实施例4
步骤1、制备基础玻璃
步骤1.1、按照通式51SiO2-18.5Nb2O5-8B2O3-2.2SrO-1.5BaO-14.8Na2O-4ZrO2分别取SiO2、Nb2O5、B2O3、SrCO3、BaCO3、Na2CO3、和ZrO2混合均匀，得到混合物A，然后按照摩尔比0.005：1将La2O3加入混合物A中，得到混合物B，将混合物B用10目筛筛分4次，使原料混合均匀；
步骤1.2将混合物B倒入已预热至1450℃的铂金坩埚中并保温30min，使其充分熔化成熔液；
步骤1.3、将熔液倾倒在已预热至100℃的模具内，待其成型，得到产物C；
步骤1.4、将产物C迅速转移至退火炉中，自室温加热至620℃并保温4h，然后随炉冷却，得到基础玻璃；
步骤2、制备微晶玻璃
步骤2.1、将基础玻璃抛光处理后放入退火炉，以5℃/min的升温速率自室温升温至650℃并保温2h；
步骤2.2、待步骤2.1的保温结束后，继续以5℃/min的升温速率自650℃升温至750℃并保温2h，然后随炉冷却，得到三明治结构的微晶玻璃。
采用精密阻抗分析仪，在20Hz～1MHz的测试频率下，对实施例4制备的三明治结构的微晶玻璃的阻抗和介电常数进行测定，经计算在20Hz下，其介电常数为82，介电损耗最大为0.39。
实施例5
步骤1、制备基础玻璃
步骤1.1、按照通式51SiO2-18.5Nb2O5-8B2O3-2.2SrO-1.5BaO-14.8Na2O-4ZrO2分别取SiO2、Nb2O5、B2O3、SrCO3、BaCO3、Na2CO3、和ZrO2混合均匀，得到混合物A，然后按照摩尔比0.006：1将La2O3加入混合物A中，得到混合物B，将混合物B用10目筛筛分5次，使原料混合均匀；
步骤1.2将混合物B倒入已预热至1450℃的铂金坩埚中并保温30min，使其充分熔化成熔液；
步骤1.3、将熔液倾倒在已预热至100℃的模具内，待其成型，得到产物C；
步骤1.4、将产物C迅速转移至退火炉中，自室温加热至620℃并保温4h，然后随炉冷却，得到基础玻璃；
步骤2、制备微晶玻璃
步骤2.1、将基础玻璃抛光处理后放入退火炉，以5℃/min的升温速率自室温升温至650℃并保温2h；
步骤2.2、待步骤2.1的保温结束后，继续以5℃/min的升温速率自650℃升温至750℃并保温2h，然后随炉冷却，得到三明治结构的微晶玻璃。
采用精密阻抗分析仪，在20Hz～1MHz的测试频率下，对实施例5制备的三明治结构的微晶玻璃的阻抗和介电常数进行测定，经计算在20Hz下，其介电常数为94，介电损耗最大为0.34。
实施例6
步骤1、制备基础玻璃
步骤1.1、按照通式51SiO2-18.5Nb2O5-8B2O3-2.2SrO-1.5BaO-14.8Na2O-4ZrO2分别取SiO2、Nb2O5、B2O3、SrCO3、BaCO3、Na2CO3、和ZrO2混合均匀，得到混合物A，然后按照摩尔比0.008：1将La2O3加入混合物A中，得到混合物B，将混合物B用10目筛筛分4次，使原料混合均匀；
步骤1.2将混合物B倒入已预热至1450℃的铂金坩埚中并保温30min，使其充分熔化成熔液；
步骤1.3、将熔液倾倒在已预热至100℃的模具内，待其成型，得到产物C；
步骤1.4、将产物C迅速转移至退火炉中，自室温加热至620℃并保温4h，然后随炉冷却，得到基础玻璃；
步骤2、制备微晶玻璃
步骤2.1、将基础玻璃抛光处理后放入退火炉，以5℃/min的升温速率自室温升温至650℃并保温2h；
步骤2.2、待步骤2.1的保温结束后，继续以5℃/min的升温速率自650℃升温至750℃并保温2h，然后随炉冷却，得到三明治结构的微晶玻璃。
采用精密阻抗分析仪，在20Hz～1MHz的测试频率下，对实施例6制备的三明治结构的微晶玻璃的阻抗和介电常数进行测定，经计算在20Hz下，其介电常数为85，介电损耗最大为0.27。
实施例7
步骤1、制备基础玻璃
步骤1.1、按照通式51SiO2-18.5Nb2O5-8B2O3-2.2SrO-1.5BaO-14.8Na2O-4ZrO2分别取SiO2、Nb2O5、B2O3、SrCO3、BaCO3、Na2CO3、和ZrO2混合均匀，得到混合物A，然后按照摩尔比0.01：1将La2O3加入混合物A中，得到混合物B，将混合物B用10目筛筛分3次，使原料混合均匀；
步骤1.2将混合物B倒入已预热至1450℃的铂金坩埚中并保温30min，使其充分熔化成熔液；
步骤1.3、将熔液倾倒在已预热至100℃的模具内，待其成型，得到产物C；
步骤1.4、将产物C迅速转移至退火炉中，自室温加热至620℃并保温4h，然后随炉冷却，得到基础玻璃；
步骤2、制备微晶玻璃
步骤2.1、将基础玻璃抛光处理后放入退火炉，以5℃/min的升温速率自室温升温至650℃并保温2h；
步骤2.2、待步骤2.1的保温结束后，继续以5℃/min的升温速率自650℃升温至750℃并保温2h，然后随炉冷却，得到三明治结构的微晶玻璃。
采用精密阻抗分析仪，在20Hz～1MHz的测试频率下，对实施例7制备的三明治结构的微晶玻璃的阻抗和介电常数进行测定，经计算在20Hz下，其介电常数为85，介电损耗最大为0.2。
利用精密阻抗分析仪对实施例1～实施例7制备的三明治结构的介电微晶玻璃的介电常数和介电损耗的测定，可以看出，当掺杂的La2O3与混合物A的摩尔比为0.006时，所制备的三明治结构的介电微晶玻璃的介电常数达到了95，且介电损耗为0.34；随着La2O3掺杂量的增大，介电损耗持续下降，介电常数变化很小。
从图1可以看出，本发明实施例1～实施例7制备的三明治结构的介电微晶玻璃的析晶倾向大，析晶峰明显。
从图2可以看出，本发明实施例1制备的三明治结构的介电微晶玻璃具有明显的界面，图中，A为外层的形貌，其晶粒显著；B为中间层的形貌，结构致密均匀。
图3是体视镜下观察到的实施例1制备的三明治结构的介电微晶玻璃的形貌，可以看出其具有三层结构，图中B为中间层，中间层相对于两个外层而言，无气孔，且结构紧密，当外加电场时，不易发生电击穿。
从图4可以看出，本发明实施例1～实施例7制备的三明治结构的介电微晶玻璃的晶相为：NaNbO3和Ba0.67Sr0.33Nb2O6，两种晶相分别为钙钛矿结构和钨青铜结构，此两种结构是储能材料中应用最广泛的两种结构，因其具有自发极化的特性，从而显示出较高的介电常数；同时，两种晶相共存，可以相互阻碍对方相晶粒的长大，因此可以有效细化晶粒。
图5是实施例1制备的三明治结构的介电储能微晶玻璃的介电常数和介电损耗随着频率的变化曲线；图6是实施例5制备的三明治结构的介电储能微晶玻璃的介电常数和介电损耗随着频率的变化曲线，从图5和图6可以看出，当频率增大时，空间电荷极化效应降低，介电常数和损耗均随之降低。
从图7和图8可以看出，随着La2O3含量的增加，试样的介电常数变化不明显，而介电损耗显著减小。
Claims (7)
1.一种三明治结构的介电储能微晶玻璃的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、制备基础玻璃
步骤1.1、按照通式51SiO2-18.5Nb2O5-8B2O3-2.2SrO-1.5BaO-14.8Na2O-4ZrO2分别取SiO2、Nb2O5、B2O3、SrCO3、BaCO3、Na2CO3和ZrO2混合均匀，得到混合物A；
步骤1.2、将混合物A倒入已预热至1450℃的铂金坩埚中并保温，使其充分熔化成熔液；
步骤1.3、将熔液倾倒在已预热至100℃的模具内，使其成型，得到产物C；
步骤1.4、将产物C快速转移至退火炉中，自室温加热至620℃并保温，然后随炉冷却，得到基础玻璃；
步骤2、制备微晶玻璃
步骤2.1、将基础玻璃放入退火炉，以5℃/min的升温速率自室温升温至650℃并保温2h；
步骤2.2、待步骤2.1的保温结束后，继续以5℃/min的升温速率自650℃升温至750℃并保温2h，然后随炉冷却，得到三明治结构的微晶玻璃。
2.根据权利要求1所述三明治结构的介电储能微晶玻璃的制备方法，其特征在于，所述步骤1.1还包括按照摩尔比1：（0.002~0.01）向混合物A中加入La2O3。
3.根据权利要求1所述三明治结构的介电储能微晶玻璃的制备方法，其特征在于，所述步骤1.1还包括用10目筛将混合物A至少筛分3次。
4.根据权利要求1所述三明治结构的介电储能微晶玻璃的制备方法，其特征在于，所述步骤1.2的保温时间为30min。
5.根据权利要求1所述三明治结构的介电储能微晶玻璃的制备方法，其特征在于，所述步骤1.3将模具预热至100℃时，需保温1h。
6.根据权利要求1所述三明治结构的介电储能微晶玻璃的制备方法，其特征在于，所述步骤1.4的保温时间为4h。
7.根据权利要求1所述三明治结构的介电储能微晶玻璃的制备方法，其特征在于，所述步骤2.1还包括在基础玻璃放入退火炉前对其抛光处理。
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2022
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