[发明专利]一种高介电常数无机/有机复合材料薄膜及其制备方法

说明书

本发明涉及一种高介电常数无机/有机复合材料薄膜及其制备方法，属于高介电薄膜及其制备方法。本发明所述复合材料薄膜由聚合物转化陶瓷作为无机填料和有机聚合物基体组成，膜成型工艺包括溶液流延法和真空热压法。聚合物转化陶瓷是一种无定型共价键陶瓷，在低频下具有极高的介电常数，0.01Hz下可达35000以上，用于无机/有机复合材料，大大提高了复合材料的介电性能，主要作为电介质层应用于薄膜电容器、高储能密度超级电容器中。

技术领域

本发明涉及高介电材料技术领域，特别是一种高介电常数的无机/有机复合材料薄膜及其制备方法。

背景技术

随着微电子与电力工程技术领域的迅速发展，对介电材料提出了更高的要求。高介电复合材料应用非常广泛。要实现电子整机小型、轻量和薄型化，整体封装技术必须提高，该技术用的嵌入式电容器要求必须有高的介电常数。而多层陶瓷介质电容器工艺复杂，柔韧性差，易开裂。具有高介电常数、低损耗、易加工的复合材料薄膜受到人们的广泛关注。此外，高介电复合材料还可作为高储能密度电介质用于薄膜电容器。薄膜电容器是最常用的储能元件，能够快速充放电，有很高的功率密度，耐受较高的电压。高储能密度超级电容器可用于混合动力汽车、电磁武器、脉冲供电设备及电磁发射平台等高负载工作环境。目前高介电聚合物复合材料主要分为以下两种：

(一)向聚合物基体中添加高介电常数的陶瓷材料，综合陶瓷的高介电性和聚合物的柔韧性。常用陶瓷填料有钛酸钡(BaTiO₃)、钛酸铜钙(CaCuTiO₃)、钛酸铅(PbTiO₃)等。但目前得到的陶瓷/聚合物复合材料的介电常数并不很高。增大陶瓷的填充量虽然能提高介电常数，但往往会破坏复合材料的柔韧性。

(二)向聚合物基体中添加导电材料，利用渗流效应获得高介电的复合材料。常用导电填料包括金属粒子、碳纳米管、石墨烯等。少量的导电填料就能大大增加复合材料的介电性能，但纳米颗粒往往具有较高的表面能，容易在基体中团聚，形成导电通道，从而使复合材料失去介电性能。大大限制了其实际应用中的可靠性。

因此，开发新的功能填料、制备更高介电常数的复合材料是解决现有复合材料局限性的重要途径。

发明内容

本发明的目的是提出一种新型高介电常数无机/有机复合材料薄膜。

本发明的目的是这样实现的：一种高介电常数无机/有机复合材料薄膜，所用无机填料为一种聚合物转化陶瓷PDCs，也称前驱体陶瓷，成分为硅基陶瓷，结构为无定型/非晶态；上述前驱体陶瓷为聚硅氮烷、聚硅氧烷、聚硼硅氮烷或聚硼硅氧烷，上述前驱体陶瓷具有SiCNO、SiCO、SiBCNO或SiBCO成分；

所用有机聚合物基体，包括但不限于以下聚合物材料：聚偏氟乙烯PVDF及其共聚物，聚氨酯PU，聚苯乙烯PS，聚酰亚胺PI，聚丙烯PP；

上述材料由体积分数1～60vol％的无机填料组成，余量为有机聚合物基体。

本发明的另一目的是提供一种上述薄膜的制备方法。

本发明的另一目的是这样实现的：上述薄膜的制备步骤如下：

(1)聚合物转化硅基陶瓷的制备：聚合物前驱体先在100-400℃下进行交联固化，再在1000-1300℃下热处理得到所需硅基陶瓷粉；依照前驱体的不同，热处理过程在空气、氩气或氮气下进行；

(2)A、流延成型法：将聚合物粉体溶于N，N-二甲基酰胺，水浴加热40～50℃下磁力搅拌直至聚合物粉体完全溶解，加入步骤1)中制备的硅基陶瓷粉体，其中陶瓷粉体占混合物的体积比为1～60％；混合料在玛瑙罐中球磨1～5h得到混合均匀的浆料，取出混合浆料，真空脱泡1h，随后倒入流延机料槽中流延成膜，等待溶剂蒸发完全后剥离出薄膜；