[发明专利]一种聚合物基复合电卡材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种聚合物基复合电卡材料及其制备方法。所述聚合物基复合电卡材料包括无机纳米纤维和聚合物基体，所述无机纳米纤维的体积百分含量为1～30％；所述无机纳米纤维包括但不限于锆钛酸铅、锆钛酸钡无机纳米纤维。本发明将无机纳米纤维与聚合物基体进行复合，由于无机纳米纤维可在聚合物基体内部引入强界面效应，可以在较低的添加量的情况下使聚合物基复合电卡材料得到较高的电卡效应，从而在满足聚合物基复合电卡材料高电卡性能的同时最大限度得维持聚合物基复合材料原有得机械柔性等相关性能。

技术领域

本发明涉及一种聚合物基复合电卡材料及其制备方法，属于电子复合材料技术领域。

背景技术

制冷已经成为人类社会必不可少的一部分。不论是空调系统、冷藏保鲜、医院和实验室的低温设备都对于制冷有着迅速增加的需求。目前的绝大多数空调和冰箱依然使用机械式制冷技术，即利用压缩机或泵对气态制冷材料进行压缩，利用制冷材料的液态-气态转变来实现热量的搬运。机械制冷技术中使用到的制冷材料主要成分为氟利昂或类似的化合物，这些气态物质易挥发至大气中，引发严重的臭氧层破坏和温室效应。另一方面，进行制冷剂的气液转换需要配备压缩机、泵、管道等，这些都会造成制冷设备制冷效率的降低和体积的大幅增加，难以应对未来的新型需求，如集成电子设备、移动设备、可穿戴设备等的高效制冷。

电卡材料作为一种新兴的固态制冷材料，具有无毒无害、环境友好的特点。同时，电卡制冷机无需压缩机等额外附件的特点，使得在更小的体积下实现更高的制冷效率成为可能。电卡制冷器件通过电来直接进行驱动，因此在结合高度集成的各类电子设备上也有着显著优势。由于电卡材料的效应主要来源于外电场诱导电极化带来的熵变，因此具有大自发极化的铁电材料受到了比较广泛的关注。但是单独的陶瓷和聚合物电卡材料都存在着一定的缺陷。对于陶瓷电卡材料来说，尽管它们具有比较优秀的电卡效应，但是其制备过程中需要进行中温或高温烧结，同时脆性很大，无法应用在有机基板或印刷电路板(PCB)上，面对电子产品的小型化、轻型化发展趋势，单独的陶瓷电卡材料很难满足要求；而聚合物电卡材料虽然易于加工，具有柔性好、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，但是由于其电极化在低电场下较小，导致其电卡效应较低，不利于其实际使用的效率。因此，同时具有陶瓷与聚合物优点的聚合物基复合电卡材料正受到世界各国的广泛关注。

目前对于聚合物基复合电卡材料研究方面已有一些进展。例如Qi Li等人将0维的弛豫铁电陶瓷PMN-PT纳米颗粒与聚合物P(VDF-TrFE-CFE)进行复合，发现在35℃时，随着PMN-PT含量的增加，复合材料的电卡效应增加，PMN-PT含量达到体积分数12vol.％左右时，复合材料的电卡效应分别达到2K(50MV/m)、31K(180MV/m)。Guangzu Zhang等人将顺电陶瓷Ba₆₇Sr₃₃TiO₃(BST)纳米颗粒和氮化硼(BN)纳米片加入了P(VDF-TrFE-CFE)中进行复合，在BST和BN的含量分别为体积分数6％、9％时，可将复合材料体系的电卡效应提升到3K(50MV/m)、50K(250MV/m)。从目前的研究来看，进行无机和有机材料的复合确实可以使得电卡效应得到一定的提升。然而，目前已有的工作中，对于聚合物基复合材料的电卡效应的改善依然十分有限，特别时在低电场下的表现依然难以令人满意。另一方面，这些研究工作中的复合材料均采用溶液流延成型方法进行制备，虽然有一定普适性，但在无机材料的分散上存在一定的问题，例如填料分散不均匀，从而影响总体击穿场强。此时就需要额外的处理如表面修饰、加长溶液挥发时间，或是加入另外的高击穿填料如氮化硼纳米片，极大得增加了制备时间和成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种聚合物基复合电卡材料及其制备方法，可以在较少的无机物填料含量下，利用复合材料内的界面效应来大幅提升材料的电卡效应。

本发明所提供的一种聚合物基复合电卡材料，其包括无机纳米纤维和聚合物基体，所述无机纳米纤维的体积百分含量为1～30％。