[发明专利]聚合物基复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种聚合物基复合材料，尤指一种含有改质的陶瓷粉体的聚合物基复合材料。本发明也涉及一种制备该聚合物基复合材料的方法。

背景技术

随着世界能源逐渐短缺，环境永续经营的问题备受重视，新能源技术的发展逐渐成为全球经济成长的新指标。

新能源技术发展的核心问题为储能技术，然而，长久以来，储能技术一直没能得到足够的重视，致使储能技术迟迟无法符合新能源技术发展的需求。储能产业的基础是储能材料，其能广泛应用于众多领域中，例如储能材料中一大重要类型的介电储能材料已应用于新能源、智能电网、混合动力汽车、医疗电子、电子武器系统等领域，因此储能材料吸引世界各国的研究机构和产业界广泛关注，以期能研发出高性能以及低成本的储能材料。

根据介电质物理的相关理论，介电储能材料的能量密度(energy density)可近似表述为：U=0.5ε₀ε_rE_b²。其中，ε₀是真空介电常数，ε_r是材料的相对介电常数，Eb(breakdown field)是材料的崩溃电场。因此，如何研发具备高相对介电常数和高崩溃电场以及低介电损耗角正切值(Loss tangent)的储能材料进而使该储能材料具有高能量密度成为了学术界和产业界的研发重点。

传统的陶瓷材料如BaTiO₃等具有高相对介电常数和低介电损耗角正切值，但是陶瓷材料的崩溃电场很低，其能量密度亦较低；聚合物材料如聚偏二氟乙烯(poly(vinylidene fluoride)，PVDF)等具有高的崩溃电场，但其缺点却是同时具有低相对介电常数和高介电损耗角正切值，因此聚合物材料必须在很高的电场强度下才能获得高能量密度，进而限制了其在储能产业的应用。为了结合陶瓷材料和聚合物材料的优点，以聚合物为基材，并在该基材中填充有是为填充体的陶瓷的聚合物基复合材料就成为了获得高能量密度的储能材料的有效手段。据此，聚合物基复合材料由于其绝缘性好、密度低、柔韧性好、成本低和易加工等优点，正逐渐成为储能材料的一个研究重点。

通过在聚合物基材中添加具有一定体积比的高介电常数的陶瓷材料，在该一定体积比的范围内，随着陶瓷材料的体积比的提高，复合材料的相对介电常数便增大，但伴随而来的缺点却是陶瓷材料在聚合物基材内团聚、导致空气进入聚合物基复合材料的体系内和不均匀电场强度等，进而导致聚合物基复合材料的崩溃电场和机械性能下降以及介电损耗角正切值提高。由于能量密度同时受制于相对介电常数和崩溃电场，因此必须有效平衡聚合物基复合材料的相对介电常数和崩溃电场并且最佳化作为填充体的陶瓷材料的体积比，才可以获得最大能量密度。

现有技术的聚合物基复合材料以及缺点列举如下：使用钛酸钡(BaTiO₃)与聚偏氟乙烯-六氟丙烯[poly(vinylidenefluoride-co-hexafluoropropylene)，P(VdF-HFP)]制备的聚合物基复合材料，其缺点是受限于仅有164百万伏特/米(MV/m)的低崩溃电场以及仅有3.2焦耳/立方厘米(J/cm³)的低能量密度；使用BaTiO₃和环氧树脂制备的聚合物基复合材料，由于其介电常数较低，其在200MV/m的电场下能量密度仅有约2J/cm³；使用多壁碳纳米管(multi-walled carbon nanotubes，MWCNTs)和聚苯乙烯(Polystyrene，PS)制备的聚合物基复合材料，虽然其相对介电常数高，能量密度也提升至4J/cm³，但其在1千赫兹的频率下，介电损耗角正切值过大（>0.1），不适合应用于产业。

综上所述，现有技术的聚合物基复合材料由于普遍存在陶瓷和聚合物基材兼容性不好的问题，虽然提升陶瓷体积比可以提高聚合物基复合材料的相对介电常数，但却很难同时保持聚合物基复合材料的高崩溃电场和低介电损耗角正切，进而导致崩溃电场的迅速降低和介电损耗角正切值的增加，因此制得的聚合物基复合材料的能量密度并无法有效提升，很难实际应用至产业。现有的陶瓷-聚合物基复合材料的崩溃电场往往过低，例如小于200MV/m，且于一千赫兹(Hz)的频率下，介电损耗角正切值大于0.05，又能量密度很少超过4J/cm³。如何提高聚合物基复合材料的崩溃电场和能量密度，并同时使该聚合物基复合材料具有低介电损耗角正切值，成为了当前储能材料研究中亟需解决的问题。

发明内容