[发明专利]一种填料分布取向可调的聚合物复合材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种填料分布和/或取向可调的聚合物复合材料，填料在复合材料内部z轴方向不同区域体积分数在0％‑90％范围内可调；填料在复合材料内部取向角度在0度至180度范围内可调。本发明还提供了一种调控聚合物复合材料的内部填料的分布和/或取向的方法，包括：将填料体积分数不同的一系列填料/聚合物纺丝前驱溶胶按顺序依次交替纺丝；和/或调节滚筒转速使填料形成取向，还可改变滚筒的接受角度，形成填料取向交错的复合结构的聚合物/填料复合无纺布。通过调节不同维度的填料分布和取向得到的具有特定复合结构的复合材料，相对于一般制备方法得到的填料随机分布的复合材料，能够得到更好的力学性能以及电学性能，从而有利于复合材料在高场下的应用。

技术领域

本发明属于复合材料制备技术领域，具体涉及一种填料分布取向可调的聚合物复合材料及其制备方法。

背景技术

作为重要的基础电子元件，电容器占据了电子元件市场的40％以上份额，2011年全球的电子元件产值超过了150亿美元，在电介质材料领域，随着近年来电子设备发展的日新月异，广泛使用的电容器向高储能、小型化以及有利于环保的方向发展。传统的高介电常数电介质材料是无机陶瓷材料，尽管陶瓷电介质材料具有非常优异的介电性能，但是其在制备过程需要高温烧结，无法应用在有机基板或印刷电路板(PCB)上，存在着脆性大、加工温度较高、损耗大等弊端，面对产品的小型化、轻型化发展趋势，单独的无机陶瓷高电容介电材料已经很难满足要求。聚合物材料由于易于加工、柔性好、重量轻、与有机基材和印刷电路板相容性好、可以制成大面积的膜等优点，被广泛应用在电介质材料中。具有轻质、易加工、低成本和良好机械性能等优点的高介电常数聚合物基复合材料正受到世界广泛地关注。它们在电气工程领域，既可用作高储能密度电容器的介质材料，也可用作高压电缆均化电场的应力锥材料。特别是其柔韧性以及和有机电路板的相容性的特点，聚合物基复合薄膜在嵌入式封装技术以及对应嵌入式电路板方面良好的应用。而除了作为电子元件在嵌入式封装方面的应用，近年来，随着国家智能电网的发展和新能源领域的推动，对高功率、大容量的电容器的需求也在不断增加，在新能源发电、电力传输等新能源领域都有大量的需求，而聚合物基复合薄膜由于其较高的击穿场强，能够在高压环境中使用的特点也成为高功率元件的重要使用材料。而针对于聚合物本身，其具有良好的机械柔性以及高的击穿场强，但是本身的介电常数过低(一般在2至3)，对元件本身的微型化以及储能密度的提高都有限制，向聚合物基体中添加高介电陶瓷纳米粒子或者导电组分可以使介电常数得到有效提升，但是由于无机组分的大量引入，又会损伤聚合物的机械性能以及击穿场强，因此如何在提升聚合物无机材料的介电常数的同时还能提升其击穿场强成为聚合物纳米复合电介质材料研究的重点和难点。

目前在聚合物基复合材料研究工作方面已有一些进展，Liang等人将0维的BaTiO₃纳米颗粒同双酚进行复合，发现在1MHz、298K的条件下，随着BaTiO₃的含量增加，复合材料的介电常数增加，BaTiO₃的含量达到60％时，复合材料的介电常数达到15。Song Yu等人将1维的BaTiO₃纳米纤维同聚偏氟乙烯进行复合可以在无机添加的体积分数在12％达到30％。Qi Li等人将2维的氮化硼纳米片同聚偏氟乙烯进行混合制备了可以提升材料热导的复合材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种填料分布和/或取向可调的聚合物复合材料，通过调节复合材料内部不同维度填料的分布和/或取向，让复合材料形成特定的复合结构而不是简单的填料随机分散，这样的复合材料应用于介电储能时，在特定的复合结构作用下，在增加材料的介电常数的同时，还能得到更高的击穿场强，从而得到提升的介电性能。

本发明所提供的填料分布和/或取向可调的聚合物复合材料，其组成包括：填料和聚合物基体。