[發明專利]層狀介電材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201810440998.5
• 申請日: 2018-05-10
• 公開（公告）號: CN108638616B
• 公開（公告）日: 2020-11-03
• 發明（設計）人: 沈洋;江建勇;南策文
• 申請（專利權）人: 深圳清華大學研究院
• 主分類號: B32B27/02
• 分類號: B32B27/02;B32B27/12;B32B27/30;B32B37/06;B32B37/10;H01G4/14;H01G4/16;H01G13/00
• 代理公司: 廣州華進聯合專利商標代理有限公司 44224
• 代理人: 潘霞

本發明涉及一種層狀介電材料及其制備方法，包括層疊設置的第一纖維無紡布層和第二纖維無紡布層，第一纖維無紡布層為偏氟乙烯?六氟丙烯共聚物層，第二纖維無紡布層為偏氟乙烯?三氟乙烯?氯氟乙烯共聚物層，第一纖維無紡布層及第二纖維無紡布層的總層數為2～30層。上述層狀介電材料及其制備方法，偏氟乙烯?六氟丙烯共聚物層具有高擊穿性能，而偏氟乙烯?三氟乙烯?氯氟乙烯共聚物岑具有高極化性能和高儲能效率，并且通過將偏氟乙烯?六氟丙烯共聚物層和偏氟乙烯?三氟乙烯?氯氟乙烯共聚物層相互層疊以控制層狀介電材料的內部介觀結構，有利于抑制層狀介電材料內部的電導損耗和鐵電損耗，從而使得層狀介電材料同時兼具高儲能密度和儲能效率。

技術領域

本發明涉及介電材料制備技術領域，特別是涉及層狀介電材料及其制備方法。

背景技術

隨著現代科技的發展，作為重要的基礎電子元件和高功率的儲能器件，電容器在消費類電子產品、通信產品、自動化控制、高速鐵路、新能源汽車與航空及軍事裝備上得到廣泛的應用。其中，薄膜電容器因其高耐壓強度，高功率密度等優勢，得到科研人員和市場更多的關注。然而，商用電介質薄膜BOPP(雙向拉伸聚丙烯)的介電常數較低(2～3)，導致其較低的儲能密度(～2J/cm3)，限制了其更廣泛的應用。比如，軌道電磁炮每次發射需要大約100MJ的能量輸入，而提供能量的電容器的體積通常在10立方米左右，過大的體積和重量就極大地限制了其更高效的使用。為了提高介電薄膜的介電常數和儲能密度，科研人員將目光轉向了具有高極化能力的PVDF基聚合物。2006年，美國賓州州立大學章啟明教授在期刊Science提出用P(VDF-CTFE)作為介電儲能薄膜，得到高于10的介電常數和高于10J/cm3的儲能密度，遠高于傳統BOPP的儲能密度。此后，科研人員采用各種不同的方式去進一步提高PVDF基聚合物的儲能密度，例如制備聚合物納米復合材料，構建具有多層結構的復合材料和制備共混、接枝等聚合物改性材料等。通過十幾年的努力，如今PVDF基聚合物材料的儲能密度能達到5～15J/cm3，但是其儲能效率卻只有50～70％，這就意味著大量的能量被耗散。而這些耗散的能量絕大部分轉化為無用且有害的熱能，由于聚合物材料本征的低熱導率，使得熱量在聚合物內部累積，導致材料的內部溫升和最終的性能惡化。因此，如何在保證高儲能密度的同時提高PVDF基聚合物的儲能效率就成為了一個研究熱點和難點。

PVDF基聚合物低的儲能效率主要源于兩方面的損耗：1)鐵電損耗：PVDF是一種非線性的鐵電材料，內部偶極不能跟上外加電場的變化，存在遲滯的現象，這一遲滯過程會帶來能量的損耗，從而產生鐵電損耗。2)電導損耗：PVDF內部存在自由移動的電子和離子，在外電場的作用下，會定向移動形成漏電流，從而產生電導損耗。為了抑制PVDF基聚合物的損耗，提高材料的儲能效率，科研人員也展開了大量的研究工作。2013年，章啟明教授在P(VDF-TrFE)上加入大尺寸的CFE或CTFE單體，制備得到P(VDF-TrFE-CFE)或P(VDF-TrFE-CTFE)三元共聚物，通過納米限制效應，將原來P(VDF-TrFE)聚合物中的大尺寸鐵電疇縮小為納米尺寸的鐵電疇，減小疇壁對偶極翻轉的限制，使得聚合物內部的偶極能夠對外加電場的變化做出迅速的響應，從而減少鐵電損耗，提高效率。同時，美國西儲大學祝磊教授在P(VDF-TrFE-CTFE)的基礎上接枝了聚苯乙烯PS，制成P(VDF-TrFE-CTFE)-g-PS嵌段共聚物，進一步抑制了聚合物的損耗。2010年，西安交通大學徐卓教授通過制備具有不同相結構的PVDF，發現α-PVDF和γ-PVDF比β-PVDF的損耗更低，效率更高。以上的研究工作主要是從抑制鐵電損耗的角度出發，也有人從抑制電導損耗的方向去著手。2012年，祝磊教授利用微層共擠出的方法制備了PVDF/PC(聚丙烯)多層聚合物材料，通過層結構設計和界面對電荷遷移抑制，更好的控制了聚合物內部的電導損耗。2015年，美國賓州州立大學王慶教授在期刊EnergyEnvironmental Science提出采用BNNS(氮化硼納米片)作為填料去制備P(VDF-TrFE-CFE)/BNNS納米復合材料，實驗結果表明，由于BNNS二維片層的大長徑比結構和高絕緣性，復合材料表現出更低的漏電流和更高的擊穿性能，制備的復合材料具有更高的儲能密度和效率。