[發明專利]高介電、高儲能納米復合材料的制備方法

有效

• 申請號: 201711056990.0
• 申請日: 2017-10-27
• 公開（公告）號: CN107901523B
• 公開（公告）日: 2021-07-13
• 發明（設計）人: 孫彬;黃興溢;陳金;朱熒科;王利偉;江平開
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: B32B9/00
• 分類號: B32B9/00;B32B9/04;B32B27/06;B32B27/30;B32B33/00
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 郭國中

本發明提供了一種高介電、高儲能納米復合材料的制備方法，其包括如下步驟：分別制備靜電紡絲前驅體溶液、涂膜前驅體溶液A和涂膜前驅體溶液B；將所述靜電紡絲前驅體溶液進行靜電紡絲，得到有序纖維膜；將所述涂膜前驅體溶液A進行流延成膜，得到流延膜A，將所述有序纖維膜平鋪于所述流延膜A的表面，干燥后在有序纖維膜A的表面進行涂膜前驅體溶液B的流延，形成流延膜B；在200℃下進行淬火，得到所述高介電、高儲能納米復合材料。本發明制備的納米復合材料結構致密，克服了傳統電紡纖維膜氣孔率高等缺點，在靜電電容器、電壓力控制系統、電纜絕緣、晶體管等方面有著廣泛的潛在應用。

技術領域

本發明屬于納米復合材料領域，特別涉及一種利用靜電紡絲技術有序纖維陣列為載體，使得一維納米材料在復合材料中有序排列，從而調控高分子復合材料介電、儲能性質的方法。

背景技術

高介電(高k)材料在電子電力行業有著廣泛的應用。以靜電電容器為例，由公式可以看出，其最大儲能密度(U_max)正比于材料的介電常數(k)和其所能承受的最高電場強度(E_BD)，ε₀表示真空介電常數，也就是說，高的介電常數意味著材料可以存儲更多的能量。

除介電常數之外，理想的高介電材料還需具有高的擊穿強度和較低的介電損耗。同時，較好的易加工性和介電非線性在實際應用中也是必不可少的考慮因素。高分子材料因具有較高的擊穿強度和易加工性而吸引了人們的注意，但是高分子材料通常具有較低的介電常數(一般小于10)，這也限制了其進一步應用。目前比較流行的辦法有兩種：在高分子基體中摻雜具有高介電常數的陶瓷粒子或者添加導電粒子。例如中國發明專利CN106543606 A提出一種摻雜高介電陶瓷材料的高儲能密度聚合物復合電介質的制備方法；而中國發明專利CN103951917 B則是將石墨烯摻雜于高分子材料中，以期改善聚合物復合材料的介電性能。

各向異性是影響高分子復合材料介電、儲能性能的重要因素之一。各向異性往往取決于摻雜物的尺寸、形狀，以及其在高分子基體中的分布等。通過調控材料各向異性，其介電性能和儲能能力將得以提高。例如，相比于零維納米粒子，一維納米線可以有效的增加復合材料的介電常數。Tang等發現，摻雜體積分數17.5vol％的鈦酸鋇(BaTiO₃)納米線的復合材料的介電常數可以達到69.5，而摻雜30vol％零維BaTiO₃納米顆粒的同種復合材料介電常數僅為52(Adv.Energy Mater.2013,3,451.)。這是因為相比低維納米粒子而言，納米線具有高的長徑比，從而決定了其具有較低的表面能以及較大的偶極矩，因此，在摻雜較低含量時即能顯著增加復合材料的介電常數。并且隨著納米線長徑比的增加，這種優勢越發明顯，而介電損耗卻仍然會維持在一個較低的值上(ACS Appl.Mater.Interfaces 2014,6,5450.)。同樣的促進作用也體現在復合材料的擊穿強度上。Shen和Nan的團隊研究發現，除表面修飾的原因之外，摻雜BaTiO₃納米線的復合材料的擊穿強度比摻雜BaTiO₃納米顆粒的復合材料也要有所提高(J.Mater.Chem.2012,22,16491.)。

另一方面，若將摻雜物在復合材料中有序排列起來，復合材料的介電性能和摻雜同種無序排列物質的相比也要明顯不同，無論是介電常數(J.Appl.Phys.2008,103,034115.)還是擊穿強度(J.Appl.Phys.2008,104,074106.)都會因為摻雜物的有序排列而得到顯著提高。因此，這必然導致介電復合材料儲能密度的明顯增加。