[發明專利]一種高擊穿強度介電陶瓷材料及其制備方法

有效

• 申請號: 202110379857.9
• 申請日: 2021-04-08
• 公開（公告）號: CN113024245B
• 公開（公告）日: 2022-03-29
• 發明（設計）人: 張志杰;李政東;鐘明峰;徐威
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: C04B35/46
• 分類號: C04B35/46;C04B35/622;C04B35/638
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 何淑珍;江裕強

一種高擊穿強度的介電陶瓷材料及其制備方法。本發明的介電陶瓷材料具有高擊穿強度，其制備方法包括以下步驟：1)按化學式aTiO₂?bSiO₂?cAl₂O₃?xCa₃(PO₄)₂中各試劑的配比稱取原料；2)將稱取的試劑加入去離子水和氧化鋯球磨珠進行球磨，然后添加PVA后對漿料進行噴霧干燥。將得到的混合原料在30MPa下單軸壓入直徑為15mm的模具中，獲得厚度為0.5mm的圓柱形生胚；3)將制備的圓柱形生胚的粘合劑排出，然后在1200～1300℃下燒結，得到燒好的陶瓷片。本發明的介電陶瓷材料具有較高的擊穿強度，其制備工藝簡單、生產成本低、無鉛環保，在高壓固態脈沖功率系統中具有廣泛的應用前景。

技術領域

本發明涉及材料領域，尤其是高性能介電陶瓷材料領域，具體為一種具有高擊穿強度的介電陶瓷材料及其制備方法。本發明屬于無機材料介電陶瓷及其制備領域，提供了一種高擊穿強度的二氧化鈦基介電陶瓷材料及其制備方法，具有廣泛的應用前景。

背景技術

脈沖功率系統在生活中的應用非常廣泛，可以應用于激光驅動、介電壁加速器、微波源發生器、聚變、電磁軌道炮等驅動，其主要的工作原理是經過較長時間的充電，在需要的時候瞬間對負載釋放出所儲存的全部電能。脈沖功率系統性能的好壞，很大程度上取決于脈沖形成線的性能。脈沖形成線是脈沖功率系統的重要組成部分，其發揮的主要作用包括儲存上一級釋放的能量和壓縮脈寬。通過脈沖形成線的作用可知，脈沖形成線材料需要具有較高的儲能密度和適中的介電常數。為了滿足高儲能密度的需要，根據儲能密度的計算公式可知，要想獲得較高的儲能密度，需要電介質材料具有較高的擊穿強度和較高的介電常數。但在研究中發現，擊穿強度和介電常數很難同時提高。考慮到擊穿強度對儲能密度的影響較大，并且脈沖形成線的工作條件需要承受高的電壓，防止被擊穿，所以需要在提高擊穿強度的工作中有更大的突破。

根據上述脈沖形成線的性能要求可知，具有高介電擊穿強度、中等介電常數和低介電損耗的介電材料在高壓固態脈沖功率系統中具有廣泛的應用前景。

目前這一領域中具有應用潛力的材料包括聚合物材料、玻璃陶瓷材料和介電陶瓷材料。其中，聚合物電介質材料具有很高的擊穿強度，而且具有一定的柔性，在一些特定的場合發揮非常重要的作用。但是聚合物電介質材料存在介電常數較低，溫度穩定性較差，易老化等問題，限制了聚合物電介質材料的使用。玻璃陶瓷材料具有較高的擊穿強度和介電常數，充放電響應快、高熱穩定性等優勢，但是存在一定的介電弛豫和較高的介電損耗，會在使用的過程中產生大量的熱量而使器件失效。

和其他兩類電介質材料相比，介電陶瓷具有穩定的較高介電常數和較低的介電損耗，在較寬的溫度和頻率范圍內變化較小，但其擊穿強度通常較低而無法滿足實際應用的需要。因此，研發既具有高擊穿強度，又擁有適中介電常數和低介電損耗的介電陶瓷體系將具有廣闊的應用前景。

TiO₂介質陶瓷是典型的線性電介質陶瓷，室溫下介電常數相對較高，約為110，而且具有頻率特性穩定、溫度變化率低、高壓線性穩定、充放電效率高等優勢，在儲能電介質領域具有非常大的潛力。但是其擊穿強度較低限制了其使用。因此，提高TiO₂介質陶瓷擊穿強度的提高具有非常重要的意義。

專利CN107473734B公布了一種具有高擊穿強度的線性介質陶瓷體系：采用傳統固相法，制備了一種電學性能優異的介質陶瓷。但在某些應用領域的實際應用發展中，還需要具有更高的擊穿強度的介電陶瓷材料。本發明意在提供一種具有更高擊穿強度的介質陶瓷體系，以滿足實際需求。

發明內容