[發明專利]具有MHz高介電常數的超構電容器材料的制備方法

有效

• 申請號: 201710147379.2
• 申請日: 2017-03-13
• 公開（公告）號: CN108570160B
• 公開（公告）日: 2021-05-04
• 發明（設計）人: 范潤華;解培濤;張子棟;劉峣
• 申請（專利權）人: 蘇州市邁爾特材料科技有限公司
• 主分類號: C08J7/046
• 分類號: C08J7/046;C08L27/16;C08K3/04;C08K7/00;C09D163/00;H01G4/08;H01G4/18
• 代理公司: 北京恩赫律師事務所 11469
• 代理人: 趙文成

本發明涉及一種具有MHz高介電常數的超構電容器材料的制備方法，屬于電化學領域。上述具有MHz高介電常數的超構電容器材料的制備方法，包括：步驟1：負介電層材料石墨烯/聚偏氟乙烯復合材料的制備；步驟2：在石墨烯/聚偏氟乙烯復合材料上制備環氧樹脂涂層。本發明提供的具有MHz高介電常數的超構電容器材料的制備方法，工藝簡單，獲得具有高頻率高介電常數的超構電容器材料在100MHz?1GHz頻段，介電常數保持100以上，介電損耗正切值低于0.15，突破了介電弛豫對電容器性能的制約。

技術領域

本發明涉及一種超構電容器材料的制備方法，特別涉及一種具有MHz高介電常數的超構電容器材料的制備方法。

背景技術

電容器作為三大類電子元器件之一，在電子工業市場中占有率高達69％在脈沖能量存儲與釋放、濾波、調諧以及傳感等領域具有廣泛應用。近年來隨著“中國制造2025”的提出，針對國防、通訊等領域的重大需求，高功率、小型化、高頻化已成為電子工業發展的重要方向，對電容器的容量、能量密度提出了更高的標準。高容量要求材料具有高的介電常數，高能量密度要求材料同時具有高介電常數和高擊穿場強。

目前，常用的電容器材料一般分為高介電陶瓷和逾滲復合材料。高介電陶瓷具有較高的介電常數，應用最為廣泛，但其擊穿場強較低(0.1-1MV/cm)，限制了其能量密度的進一步提升。針對該問題，具有高擊穿場強的高分子基逾滲復合材料近年來引起廣泛關注，其擊穿場強一般大于10MV/cm，比陶瓷高接近2個數量級，同時由于內部大量異質界面所導致的界面極化，使其介電常數在kHz頻段可達100以上。但無論是高介電陶瓷還是逾滲復合材料，在10kHz以上頻段介電增強效應會逐漸減弱，到了MHz頻段甚至會消失。造成該現象的原因是由于隨著頻率的升高，電容器材料在kHz至MHz頻段范圍內會產生介電弛豫現象。介電弛豫現象的發生，會導致電容器材料的介電常數急劇降低，影響電容器的有效能量密度。因此，如何克服頻率對介電增強效應的制約，探索一種高頻介電增強方式對于新型電容器的開發具有重要的研究意義。

不同于正介電極化機制對于頻率的敏感性，負介電性能由于其本身只與自由電子的等離子振蕩相關，不存在弛豫行為且符合Drude模型的描述，相對于正介電材料有更寬的響應頻段范圍，可通過改變材料中的等效電子密度和有效電子質量，即通過改變金屬功能體的含量以及分布狀態來進行調節。

電容值與介電常數與電極面積成正比，與電介質材料厚度成反比。

電介質材料的協同效應可通過電容之間的串聯公式推導。將電容器C1和C2串聯，得到的串聯電容：

一般而言，由于C₁和C₂均為正值，C_s將會小于C₁和C₂中的任何一個。但是，如果C₂為負值，且與正電容C₁的絕對值接近時，等效電容C_s的數值理論上可以為無窮大。負的電容意味著負介電常數，屬于超材料性能，所以我們將此類疊層材料稱為超構疊層材料，由超構疊層材料構成的電容器稱為超構電容器材料。當正介電層ε_p和負介電層ε_n串聯時，可得到的此類介電材料的等效介電常數ε_s為：

其中，N為負介電層和正介電層的厚度比。從公式(2)中我們可以看出：當公式中的分母趨近零時，可獲得極高的介電常數。其關鍵點在于：調節負介電常數的大小，以實現正、負介電層的匹配。

因此，如果能夠實現對負介電材料性能的精確調控，利用正-負介電協同增強效應，突破介電弛豫對電容器性能的制約，對新型電容器的研發具有重大研究意義。

發明內容