高储能密度微晶玻璃制备及其组成、结构和性能的关联研究

新型功能微晶玻璃是高储能电容器的关键材料，在脉冲功率系统、油气深井勘探、混合动力汽车、医疗设备等重大军民用领域都有极为重要的应用，是一类对国家安全和国民经济可持续发展具有重大意义的新一代材料，也是当前材料领域研究和应用方面的重要前沿方向。本项目以有可能替代国内目前不能生产或制备技术与性能与国外差距较大的高储能密度介质材料的铌酸锶钡基玻璃为研究对象，探索高储能密度微晶玻璃的制备工艺技术；研究组成、添加剂种类和含量对玻璃形成能力和电性能（介电铁电、体积电阻率和击穿强度）的影响；阐明添加剂对晶化机理、微结构（微晶体类型、含量和大小与分布）和电性能的影响规律；利用阻抗谱技术揭示击穿场强和界面极化的内在关联，为开发出新型高储能密度微晶玻璃材料提供理论和实践依据。同时，本项目结合地方资源优势，开展高储能密度微晶玻璃材料的研究，符合我国西部大开发的重大方针，有利于广西矿产经济持续、高效的健康发展。

新型介电微晶玻璃是高储能电容器的关键材料，在脉冲功率系统、混合动力汽车等重大领域都有极为重要的应用。本项目针对介质材料的储能密度不高和不够环保等关键问题，分别采用熔融-可控析晶和固相法制备出四种铌酸盐体系储能微晶玻璃及铌酸锶钡陶瓷材料。研究了热处理温度对微晶玻璃的相组成、介电性能、击穿强度和储能密度的影响；研究了BaF2和TiO2对含Na2O、SiO2和B2O3铌酸盐微晶玻璃的析晶行为、相组成及电性能的影响；研究了单掺CeO2和BaF2对SrO- BaO -Nb2O5 -SiO2-B2O3体系微晶玻璃相组成、介电、铁电性能、击穿强度和储能密度的影响；揭示了添加CeO2和BaF2的SrO-BaO-Nb2O5 -SiO2-B2O3体系玻璃的晶化机理及作用机制；探索了电极结构对BaO-SrO-Nb2O5-SiO2-B2O3-BaF2微晶玻璃介电性能和击穿强度的影响机制；研究了Sr/Ba比对SrO-BaO-Nb2O5-B2O3体系微晶玻璃的相组成、介电、铁电性能和储能特性的影响；研究了Re2O3和P2O5（Re= Ce，Gd，La， Sm）对含B2O3的铌酸盐微晶玻璃微结构、介电铁电性能、储能特性和能量效率的影响规律；利用阻抗谱揭示了含B2O3的铌酸盐微晶玻璃的击穿强度和界面活化能之间的内在关联；研究了BCB对铌酸锶钡陶瓷的烧结、晶体结构、微观结构、介电性能、储能密度和能量效率的影响。添加0.5mol%Sm2O3的铌酸盐微晶玻璃的介电常数为143.8，介电击穿强度为1132kV/cm，理论储能密度达8.15 J/cm3。添加5mol% P2O5的微晶玻璃击穿强度达1650 kV/cm，储能密度高达9.0J/cm3以上。添加0.5mol%CeO2的含B2O3铌酸盐微晶玻璃在600 kV/cm时的放电能量密度高达1.95 J/cm3，能量效率为71.3%。这些研究结果可为新型高储能密度电容器的制备及其实际应用提供有重要意义的实验依据和理论指导。