[發明專利]一種非對稱三層結構全聚合物介電復合材料及其制備方法

有效

• 申請號: 202011476097.5
• 申請日: 2020-12-15
• 公開（公告）號: CN112622383B
• 公開（公告）日: 2021-10-26
• 發明（設計）人: 史志成;孫良;張文強;殷鵬
• 申請（專利權）人: 中國海洋大學
• 主分類號: B32B27/28
• 分類號: B32B27/28;B32B27/30;B32B27/08;B32B27/06;B32B37/06;B32B37/10;C08J5/18;C08L79/08;C08L27/16;H01G4/14;H01G4/33
• 代理公司: 青島智地領創專利代理有限公司 37252
• 代理人: 肖峰

本發明公開了一種非對稱三層結構全聚合物介電復合材料及其制備方法，屬于介電復合材料的制備技術領域。該介電復合材料包括自下而上依次排布的第一層體、第二層體及第三層體，其中，第一層體為純聚偏氟乙烯薄膜，第二層體為混合聚醚酰亞胺/聚偏氟乙烯薄膜，第三層體為純聚醚酰亞胺薄膜。本發明將具有高充放電效率的線性電介質聚醚酰亞胺和具有高儲能密度的鐵電材料聚偏氟乙烯以及二者共混的PEI/PVDF三層薄膜相結合，利用流延法和熱壓法制備三層全聚合物介電復合材料。利用中間過渡層使電場分布更加均勻以及線性電介質層和鐵電層的協同作用，實現了儲能密度和效率的共同提升。

技術領域

本發明屬于介電復合材料的制備技術領域，具體涉及一種非對稱三層結構全聚合物介電復合材料及其制備方法。

背景技術

目前，限制薄膜電容器是應用的一大難題是儲能密度太低。因此，為提高聚合物復合材料的儲能密度，研究者提出了各種復合材料設計策略。

研究表明，通過設計具有疊層結構的多層復合材料，利用各功能層之間的協同效應可以獲得儲能密度的顯著提升。例如，西安交通大學汪宏課題組報道了一種具有成分梯度的三層結構鈦酸鋇/聚偏氟乙烯復合材料，具有高鈦酸鋇含量的外層提供高介電常數，低鈦酸鋇含量的中間層提供高擊穿強度，通過成分優化大幅提高了擊穿強度，同時保持較高的介電常數。清華大學沈洋課題組采用靜電紡絲和熱壓的方法制備了多達16層的聚偏氟乙烯/鈦酸鋇復合薄膜，其放電能量密度高達35.4J/cm³。

雖然通過設計疊層結構可以使復合材料的儲能密度得到顯著提升，但目前報道的復合材料的充放電效率大部分低于80％，極大地限制了其實際應用。也就是說，如何有效地實現充放電效率和儲能密度的協同提升仍是介電儲能材料領域亟待解決的難題。

為了最大程度地實現儲能密度的提升，目前報道的疊層介電儲能材料普遍采用鐵電聚合物(如聚偏氟乙烯及其共聚物)作為基體，鐵電陶瓷(例如鈦酸鋇)為填料，構建多層(三層以上)材料。該設計雖然能實現偶極子極化和界面極化強度的顯著提升，從而獲得高儲能密度，但是鐵電相的極化損耗和漏導損耗較高，且層間界面處也存在較強的界面極化損耗，從而導致復合材料的效率較低。

因此，現有技術有待于進一步改進。

發明內容

本發明的目的之一在于提供一種非對稱三層結構全聚合物介電復合材料，該介電復合材料可以實現儲能密度和效率的共同提升。

為實現上述目的，本發明采用了以下技術方案：

一種非對稱三層結構全聚合物介電復合材料，自下而上其包括第一層體、第二層體及第三層體，其中，第一層體為純聚偏氟乙烯薄膜，第二層體為混合聚醚酰亞胺/聚偏氟乙烯薄膜，第三層體為純聚醚酰亞胺薄膜。

進一步的，上述的第一層體、第二層體及第三層體的大小及厚度均相同。

本發明的另一目的在于提供上述非對稱三層結構全聚合物介電復合材料的制備方法。

上述非對稱三層結構全聚合物介電復合材料的制備方法，包括以下步驟：上述的第一層體、第二層體和第三層體之間是通過熱壓法制備得到的，上述的熱壓法采用的工藝條件為：溫度170～190℃，壓力7.5～8.5MPa，時間20～40min。

進一步的，上述的第一層體、第二層體、第三層體均通過流延法制備得到。

進一步的，上述的第一層體的制備方法為：

第一步、稱取一定量的聚偏氟乙烯，將其加入至裝有N-甲基-2-吡咯烷酮的容器中，在一定溫度下攪拌，待聚偏氟乙烯完全溶解之后繼續攪拌，得聚偏氟乙烯溶液；

第二步、將上述的聚偏氟乙烯溶液置于潔凈的玻璃板上刮膜成型，隨后置于鼓風式干燥箱內保溫，保溫分為兩個階段：

第一階段：以1℃/min的升溫速度從室溫升至100℃，保溫4h；