[發明專利]一種復合纖維及聚合物基柔性復合薄膜及其制備方法

有效

• 申請號: 201310737522.5
• 申請日: 2013-12-26
• 公開（公告）號: CN103709565A
• 公開（公告）日: 2014-04-09
• 發明（設計）人: 沈洋;張鑫;南策文;林元華
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: C08L27/16
• 分類號: C08L27/16;C08K9/04;C08K7/08;C08K3/22;C08K3/24;C08J5/18;B29C41/00;D01F9/08;D01F1/10
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 關暢;王春霞

技術領域

本發明涉及一種復合纖維及聚合物基柔性復合薄膜及其制備方法，屬于電子復合材料制備技術領域。

背景技術

作為重要的基礎電子元件，電容器占據了電子元件市場的40%以上份額，2011年全球的電子元件產值超過了150億美元，在電介質材料領域，隨著近年來電子設備發展的日新月異，廣泛使用的電容器向高儲能、小型化以及有利于環保的方向發展。傳統的高介電常數電介質材料是無機陶瓷材料，盡管陶瓷電介質材料具有非常優異的介電性能，但是其在制備過程需要高溫燒結，無法應用在有機基板或印刷電路板（PCB）上，存在著脆性大、加工溫度較高、損耗大等弊端，面對產品的小型化、輕型化發展趨勢，單獨的無機陶瓷高電容介電材料已經很難滿足要求。聚合物材料由于易于加工、柔性好、重量輕、與有機基材和印刷電路板相容性好、可以制成大面積的膜等優點，被廣泛應用在電介質材料中。具有輕質、易加工、低成本和良好機械性能等優點的高介電常數聚合物基復合材料正受到世界廣泛地關注。它們在電氣工程領域，既可用作高儲能密度電容器的介質材料，也可用作高壓電纜均化電場的應力錐材料。特別是其柔韌性以及和有機電路板的相容性的特點，聚合物基復合薄膜在嵌入式封裝技術以及對應嵌入式電路板方面良好的應用。而除開作為電子元件在嵌入式封裝方面的應用，近年來，隨著國家智能電網的發展和新能源領域的推動，對高功率、大容量的電容器的需求也在不斷增加，在新能源發電、電力傳輸等新能源領域都有大量的需求，而聚合物基復合薄膜由于其較高的擊穿場強，能夠在高壓環境中使用的特點也成為高功率元件的重要使用材料。而針對于聚合物本身，其具有良好的機械柔性以及高的擊穿場強，但是本身的介電常數過低（一般為2～3），對元件本身的微型化以及儲能密度的提高都有限制，向聚合物基體中添加高介電陶瓷納米粒子或者導電組分可以是介電常數得到有效提升，但是由于無機組分的大量引入，又會損傷聚合物的機械性能以及擊穿場強，因此如何在不改變聚合物本身原來的柔性與擊穿性能的前提下盡量提高其介電常數成為聚合物基復合材料的研究重點與熱點。

目前在聚合物基復合材料研究工作方面已有大量進展，Liang等人將BaTiO₃顆粒同雙酚進行復合，發現在1MHz、298K的條件下，隨著BaTiO₃的含量增加，復合材料的介電常數增加，BaTiO₃的含量達到60%時，復合材料的介電常數達到15。xie等人BaTiO₃將同聚酰亞胺進行復合，在10KHz、室溫下條件下，當BaTiO₃含量達到50%時，得到復合材料的介電常數為35。Song?Yu等人將BaTiO₃的納米纖維同聚偏氟乙烯進行復合可以在無機添加的體積分數在12%達到30%。除開上述采用高介電陶瓷與聚合物復合之外，黨智敏等人采用碳纖維、金屬Ni顆粒等導電組分與聚偏氟乙烯（PVDF）基體進行復合，利用導電顆粒在絕緣基體內的滲流效應顯著地提高了復合材料的介電常數。從目前的一些研究來看，對于陶瓷顆粒同聚合物復合可以提高聚合物的介電常數，但是需要較高的無機添加量才能得到明顯提升的介電常數（一般體積分數大于50%），這樣導致聚合物的機械柔性大大降低，由于無機組分加入過多引起的缺陷也會是擊穿場強大大降低。而對于添加導電組分而言，可以在較小的添加量下得到較高的介電常數，但是導電組分會產生過高的介電損耗，并且一旦導電組分含量超過滲流閾值，將會使復合材料由絕緣體變為導體。

發明內容

本發明的目的是提供一種復合纖維及聚合物基柔性復合薄膜及其制備方法，本發明通過向聚合物基體中添加復合纖維來實現在較低的無機添加量下獲得具有較高介電常數的聚合物基復合材料，從而使聚合物本身的相關性能不受到陶瓷粒子的添加而產生的影響。

本發明所提供的一種復合纖維及聚合物基柔性復合薄膜，其包括復合纖維和聚合物基體，所述復合纖維的體積百分含量為1%～30%；

所述復合纖維由氧化物纖維和嵌入于氧化物纖維中的陶瓷顆粒和/或金屬顆粒組成；

所述聚合物基體可為聚偏氟乙烯（PVDF）、環氧樹脂（Epoxy,EP）、聚偏氟乙烯-三氟乙烯（P（VDF_TRFE））、聚丙烯（PP）、聚對苯二甲酸乙二酯（PET）和聚酰亞胺（PI）中至少一種。

所述的柔性復合薄膜中，所述氧化物纖維可為二氧化鈦纖維、氧化硅纖維或氧化鋁纖維；

所述陶瓷顆粒可為BaTiO₃或Ba_xSr_1-xTiO₃，其中，x可為0.1～0.8之間的數；