[發(fā)明專(zhuān)利]一種制備全新的介電復(fù)合材料的方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811567758.8
• 申請(qǐng)日: 2018-12-21
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN109627693A
• 公開(kāi)（公告）日: 2019-04-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 羅行;郭茹;張斗;馬玉鵬;黃玉娟
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中南大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): C08L63/00
• 分類(lèi)號(hào): C08L63/00;C08K7/24;C04B35/468
• 代理公司: 成都坤倫厚樸專(zhuān)利代理事務(wù)所(普通合伙) 51247
• 代理人: 劉坤

本發(fā)明屬于介電復(fù)合材料領(lǐng)域，具體涉及一種制備全新的介電復(fù)合材料的方法。具體技術(shù)方案為：以冷凍澆注法構(gòu)建定向排布的層狀多孔陶瓷結(jié)構(gòu)，再向所述層狀多孔陶瓷結(jié)構(gòu)中填充聚合物，即可獲得所需介電復(fù)合材料。本發(fā)明創(chuàng)造性地將冷凍澆注法與介電復(fù)合材料的制備結(jié)合起來(lái)，簡(jiǎn)單有效地獲得了具有定向、層狀和多孔特征的材料。由于漿料配置中溶劑多樣可選，這種方法可適用于陶瓷、金屬等材料體系；同時(shí)工藝參數(shù)簡(jiǎn)單，且調(diào)控方便，可實(shí)現(xiàn)高定向度的多孔層狀結(jié)構(gòu)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于介電復(fù)合材料領(lǐng)域，具體涉及一種制備全新的介電復(fù)合材料的方法。

背景技術(shù)

近年來(lái)，傳統(tǒng)化石燃料日益消耗、環(huán)境持續(xù)惡化，嚴(yán)峻的能源形勢(shì)引發(fā)了人們對(duì)清潔、可再生能源的關(guān)注和重視。太陽(yáng)能電池、燃料電池、鋰電池、電容器等作為高效儲(chǔ)能器件成為研究熱點(diǎn)。其中，電容器以其高功率密度、快放電速率、低生產(chǎn)成本的優(yōu)勢(shì)，在智能電網(wǎng)和高能武器(激光槍、雷達(dá))等領(lǐng)域具有更加重要的實(shí)用價(jià)值。但是，能量密度過(guò)低嚴(yán)重限制了高功率電容器的發(fā)展。因此，如何提高其能量密度和效率，對(duì)于進(jìn)一步開(kāi)發(fā)及拓寬它的應(yīng)用具有重大意義。

理論上，提高材料的相對(duì)介電常數(shù)ε_r和擊穿場(chǎng)強(qiáng)E是獲得高能量密度的兩個(gè)重要參數(shù)。鐵電陶瓷如BaTiO₃，Pb(Zr_1-xTi_x)O₃(PZT)、Ba(Zr_0.3TiO_0.7)O₃(BZT)等，介電常數(shù)值很大，可達(dá)成千甚至上萬(wàn)，但是其抗擊穿電場(chǎng)很低；相反，聚合物具有高的抗擊穿電場(chǎng)，但是其介電常數(shù)通常不到十。因此，陶瓷/聚合物介電復(fù)合材料能夠結(jié)合兩相優(yōu)勢(shì)，兼?zhèn)涓邠舸﹫?chǎng)強(qiáng)和介電常數(shù)的優(yōu)勢(shì)，成為目前介電材料的研究熱點(diǎn)之一。

在兩相復(fù)合體系中，陶瓷相在聚合物基體中的分布狀態(tài)對(duì)復(fù)合材料的性能具有重要的影響。文獻(xiàn)報(bào)道，對(duì)于陶瓷填料在聚合物中的分布狀態(tài)，相比于無(wú)規(guī)隨機(jī)分布，填料顆粒呈現(xiàn)有序、規(guī)則的定向排列，在相同條件下可以更有效地提高復(fù)合物的介電常數(shù)。目前，一些研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)不同的工藝方法實(shí)現(xiàn)了陶瓷相在聚合物基體中定向排列，以使復(fù)合材料獲得更高的介電常數(shù)和能量密度。

如圖1所示，研究者采用靜電紡絲工藝制備了由BaTiO₃納米纖維交疊的纖維厚墊，再通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂填充縫隙，得到鈦酸鋇/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料，同時(shí)討論了復(fù)合材料中纖維在不同取向(平行/垂直于電極表面)狀態(tài)下對(duì)介電性能的影響。其研究顯示，復(fù)合材料在相同陶瓷填料比(2vol％)下，BaTiO₃纖維的取向垂直于電極模式下得到的介電常數(shù)為11.4，是平行模式下的兩倍。但采用這種工藝，BaTiO₃溶膠在強(qiáng)電場(chǎng)中進(jìn)行噴射紡絲，形成的納米纖維散落在收集裝置時(shí)容易發(fā)散，從而纖維厚墊內(nèi)部的納米纖維交替疊加，排列方向難以做到完全一致；同時(shí)，利用樹(shù)脂填充纖維厚墊中的縫隙也不能做到完全致密，影響復(fù)合物性能。

如圖2所示，華中科技大學(xué)姜?jiǎng)倭纸淌趫F(tuán)隊(duì)采用流延法制備了BaTiO₃納米線定向排列的復(fù)合物，其得到介電常數(shù)為19，儲(chǔ)能密度在較低的電場(chǎng)(240kV/mm)下取得了大幅提高(10.8J/cm³)。但該工藝非常粗糙，靠刮膜板的剪切力使納米線發(fā)生取向，作用小，且在流體的厚度方向作用力不同，所以納米線發(fā)生取向的效果并不明顯，另外流延工藝參數(shù)，如速度、力的大小等無(wú)法精確，導(dǎo)致每次實(shí)驗(yàn)無(wú)法重復(fù)一致。

如圖3所示，同濟(jì)大學(xué)翟繼偉教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)兩步水熱法合成高度(110)取向的BaTiO₃納米線陣列作為填充相制備的BaTiO₃/PVDF復(fù)合物，介電常數(shù)提高到23，在320kV/mm電場(chǎng)下，獲得能量密度為11.82J/cm³。但該法工藝條件苛刻、成本高，只能制備小尺寸樣品，且一次產(chǎn)量低，難以實(shí)現(xiàn)大量生產(chǎn)。