[发明专利]一种三明治结构高储能密度聚合物基介电复合材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种使用氮化硼纳米片与钛酸铜钙纳米纤维为功能填料，制备具有三明治结构的高储能密度聚合物基介电复合材料的方法。该方法通过静电纺丝技术或水热法制备钛酸铜钙纳米纤维，通过液相超声剥离得到氮化硼纳米片，然后用溶液分散法或熔融共混法将其均匀分散于聚合物基体中，制成薄膜，继而将钛酸铜钙纤维复合薄膜作为中间介电层，氮化硼复合薄膜置于外侧，进行热压处理，制备得到三明治结构的复合材料。本发明提供的制备方法，通过引入高绝缘性氮化硼作为耐受电压层，大幅提高复合材料的击穿强度，而高介电陶瓷钛酸铜钙的加入，又进一步强化了材料的介电性能，从而整体提高复合材料的储能密度。本发明中所制备的复合材料，主要应用于薄膜电容器中的电介质层，提高薄膜电容器的储能性能。

技术领域

本申请属于电介质领域，尤其涉及高储能密度电介质材料，这种材料是制备高性能薄膜电容器的关键。

背景技术

在现代社会中，无数的电子设备被应用在生活的方方面面。无论对于便携式的电子产品，或是电动汽车，甚至大型电网系统，一种小型、低成本、高性能的储能器件都是十分必要的。薄膜电容器作为最常用的储能元件，其能够进行快速充放电，可耐受较高电压，具有较高的功率密度，能够循环使用、性能稳定，在电力系统、电子器件领域中扮演着至关重要的角色。高储能密度电介质电容器可应用于混合动力汽车、电磁武器、脉冲供能设备及电磁发射平台等高负载工作环境中。而新技术的发展和应用对提高介电材料储能特性也提出了更高的要求。

薄膜电容器结构简单，主要由电极与电介质层组成，其储能性能主要由电介质层所决定。介电常数与击穿场强是衡量材料储能特性的重要指标，目前，市场上最常见的薄膜电容器，使用双向拉伸聚丙烯(BOPP)作为其电介质层。BOPP具有超高的击穿场强(约为600MV/m)，然而其较低的介电常数(约为2)制约了其总体性能，使得其最终的储能密度仅为1-2J/cm³。而一般的无机陶瓷聚合物复合薄膜，由于填料含量较大，会使材料内部产生过多缺陷，从而无法同时兼顾介电常数与击穿场强，同时，过多的填充无机陶瓷会使成本大幅提高，不利于大规模生产与推广。因此，如何同时提高电介质材料的介电常数与击穿场强，以此来提高整体的储能性能是目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是通过流延热压法制备一种聚合物基介电复合材料，该方法综合考虑了薄膜的介电性能和击穿强度，从而得到较高的储能密度。

本发明的原理是，通过对材料结构的设计，使材料的内外层分别针对不同性能进行提高。外层中通过加入氮化硼纳米片来提高材料整体的击穿强度，内层通过加入钛酸铜钙纳米纤维来改善材料的介电性能。通过三明治型的结构，使得材料的介电性能与击穿强度能够同时提高，进而提高材料的储能密度。

相比于现有方法，本发明的优点在于：其一，使用静电纺丝技术制备钛酸铜钙纳米纤维，方法简单，省时省力，可以连续生产，所得到的纤维均匀性好，长径比高；其二，由于高长径比的钛酸铜钙纳米纤维的填充，使得在低含量下即能使介电性能得到改善；其三，三明治型结构的引入使得单位体积的填料含量降低，有利于减少材料内部的缺陷，并可同时提高材料的介电性能与击穿强度，进而提高储能密度。

具体实施方式：

下面通过具体实施方案来进一步说明制备高储能密度的聚合物基复合材料的技术方案。有必要指出，以下实施例只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的专业技术人员根据本发明的内容作出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

实施例1静电纺丝法制备钛酸铜钙纳米纤维

(1)将硝酸钙、乙酸铜、钛酸四丁酯按照摩尔比1∶3∶4配置成溶液，溶剂为乙酸与乙醇(体积比1∶1)，待搅拌溶解后，加入聚乙烯吡咯烷酮，继续搅拌1小时；

(2)将上述溶液放入注射器中，在推进泵的推动下，进行静电纺丝，其纺丝电压范围19千伏，以铝箔作为接收器；