[发明专利]一种提高电介质复合材料击穿强度和储能密度的方法

说明书

本发明提供一种提高电介质复合材料击穿强度和储能密度的方法，属于介电储能材料技术领域。该方法通过将填料预处理、用表面改性剂包覆纳米填料，从而制备复合电介质薄膜，该电介复合材料由改性的无机纳米填料和聚合物基体组成，通过表面改性剂包覆在无机纳米填料外形成有机壳层，提高了无机纳米填料和聚合物基体的界面相容性，减少了填料与聚合物基体之间的界面缺陷，有效改善了复合薄膜的电击穿性能随填料增加而恶化的问题，相应地提升了储能密度。

技术领域

本发明涉及介电储能材料技术领域，特别是指一种提高电介质复合材料击穿强度和储能密度的方法。

背景技术

随着电子工业的发展，高储能密度的介电材料越来越受到人们的重视。制约材料储能密度的两个参数一个是介电常数(ε)，另一个是电击穿强度(E_b)。无机电介质材料通常具有较高的介电常数，但其加工性能差，应用范围受限；聚合物材料虽然加工性能较为优良，但其介电常数较低。因此可以将聚合物基体与无机电介质填料结合起来，制备具有较高储能密度的复合材料，弥补单一材料性能的不足。但是无机填料的加入，会导致复合材料的电击穿强度降低，这也就限制了复合材料储能密度的提升。

常用的介电陶瓷材料包括钛酸钡(BT)、锆钛酸铅(PZT)、钛酸锶钡(BST)等铁电陶瓷材料和二氧化钛(TO)等非铁电陶瓷材料，其具有价格低、易制备、介电常数高、机械强度高、热稳定性好等优点，是较为理想的填充材料。然而无机材料的填充虽然能够获得较高的介电常数，但是会降低聚合物的击穿场强，这是因为基体与填料之间形成的过渡区域具有与基体和填料显著不同的化学成分，称之为界面层。界面层的厚度、界面结构、界面相容性及粗糙程度等对材料的物理和化学性能有很大影响甚至起到控制作用。界面强相互作用的出现使得纳米粒子的分散取向与聚合物链取向运动协同，能够引起界面网络结构的出现；相反，聚合物纳米复合材料在没有界面强相互作用时，会显示较弱的两相取向和形变期间强烈的空穴现象。将陶瓷纳米填料简单地混入聚合物基体中，由于填料与基体间的相互作用较弱，制得的材料普遍存在着微观结构可控性差、易产生缺陷导致击穿场强下降等问题。

针对以上问题，国内外许多研究者都十分关注纳米填料与聚合物基体间的界面，通常都采用表面改性剂对填料粒子进行表面改性，在填料与聚合物基体之间增加有机壳层，通过有机壳层形成的介电性能缓冲层，降低填料与聚合物之间的界面极化，改善填料与聚合物的界面相容性，提升复合材料综合性能。如，Wang等人用聚乙烯醇(PVA)包覆石墨烯纳米片(GNP)，然后加入PVDF中制备纳米复合材料，PVA不仅可以阻止GNP的聚集，而且可以增强填料与基体的相互作用。该材料具有较高的ε和较低的损耗。Song等人用聚多巴胺改性BT纳米颗粒，发现可以钝化填料表面并提高填料与聚合物基体PVDF或ER间的界面相互作用，从而提高其E_b。Dang等人通过三辊研磨后模压制备了硅烷偶联剂化学改性TiO/硅橡胶(SR)纳米复合材料。发现与未改性的相比，其E_b、断裂伸长所降低。作者将其归因于填料在基体中的率都有明显提高，且介电损耗有更好分散以及二者间的更强界面相互作用。

钛酸酯偶联剂，对热塑性聚合物与干燥填充剂有良好的偶联效能，能与无机物表面的氢离子或水反应，并能与聚合物发生交联或酯化作用，形成单分子层“桥键”的有机钛化合物。能降低填料的表面能，提高填料与聚合物基的亲和性，从而可以增加聚合物基体与无机填料的相容性，改善表面缺陷，有望成为一种良好的表面改性剂用于提升复合电介质材料性能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种提高电介质复合材料击穿强度和储能密度的方法。通过表面改性剂包覆在无机纳米填料外形成有机壳层，提高了无机纳米填料和聚合物基体的界面相容性，减少了填料与聚合物基体之间的界面缺陷，有效改善了复合薄膜的电击穿性能随填料增加而恶化的问题，相应地提升了储能密度。

该电介质复合材料由无机纳米填料和聚合物基体复合而成，该方法通过将无机纳米填料进行预处理，然后用表面改性剂包覆无机纳米填料，最后制得复合电介质薄膜，具体包括如下步骤：