[发明专利]一种全新的介电复合材料

说明书

本发明属于介电复合材料领域，具体涉及一种全新的介电复合材料。具体技术方案为：以冷冻浇注法构建定向排布的层状多孔陶瓷结构，再向所述层状多孔陶瓷结构中填充聚合物，即可获得所需介电复合材料。本发明创造性地将冷冻浇注法与介电复合材料的制备结合起来，简单有效地获得了具有定向、层状和多孔特征的材料。由于浆料配置中溶剂多样可选，这种方法可适用于陶瓷、金属等材料体系；同时工艺参数简单，且调控方便，可实现高定向度的多孔层状结构。

技术领域

本发明属于介电复合材料领域，具体涉及一种全新的介电复合材料。

背景技术

近年来，传统化石燃料日益消耗、环境持续恶化，严峻的能源形势引发了人们对清洁、可再生能源的关注和重视。太阳能电池、燃料电池、锂电池、电容器等作为高效储能器件成为研究热点。其中，电容器以其高功率密度、快放电速率、低生产成本的优势，在智能电网和高能武器(激光枪、雷达)等领域具有更加重要的实用价值。但是，能量密度过低严重限制了高功率电容器的发展。因此，如何提高其能量密度和效率，对于进一步开发及拓宽它的应用具有重大意义。

理论上，提高材料的相对介电常数ε_r和击穿场强E是获得高能量密度的两个重要参数。铁电陶瓷如BaTiO₃，Pb(Zr_1-xTi_x)O₃(PZT)、Ba(Zr_0.3TiO_0.7)O₃(BZT)等，介电常数值很大，可达成千甚至上万，但是其抗击穿电场很低；相反，聚合物具有高的抗击穿电场，但是其介电常数通常不到十。因此，陶瓷/聚合物介电复合材料能够结合两相优势，兼备高击穿场强和介电常数的优势，成为目前介电材料的研究热点之一。

在两相复合体系中，陶瓷相在聚合物基体中的分布状态对复合材料的性能具有重要的影响。文献报道，对于陶瓷填料在聚合物中的分布状态，相比于无规随机分布，填料颗粒呈现有序、规则的定向排列，在相同条件下可以更有效地提高复合物的介电常数。目前，一些研究团队通过不同的工艺方法实现了陶瓷相在聚合物基体中定向排列，以使复合材料获得更高的介电常数和能量密度。

如图1所示，研究者H.·A.·采用静电纺丝工艺制备了由BaTiO₃纳米纤维交叠的纤维厚垫，再通过环氧树脂填充缝隙，得到钛酸钡/环氧树脂复合材料，同时讨论了复合材料中纤维在不同取向(平行/垂直于电极表面)状态下对介电性能的影响。其研究显示，复合材料在相同陶瓷填料比(2vol％)下，BaTiO₃纤维的取向垂直于电极模式下得到的介电常数为11.4，是平行模式下的两倍。但采用这种工艺，BaTiO₃溶胶在强电场中进行喷射纺丝，形成的纳米纤维散落在收集装置时容易发散，从而纤维厚垫内部的纳米纤维交替叠加，排列方向难以做到完全一致；同时，利用树脂填充纤维厚垫中的缝隙也不能做到完全致密，影响复合物性能。

如图2所示，华中科技大学姜胜林教授团队采用流延法制备了BaTiO₃纳米线定向排列的复合物，其得到介电常数为19，储能密度在较低的电场(240kV/mm)下取得了大幅提高(10.8J/cm³)。但该工艺非常粗糙，靠刮膜板的剪切力使纳米线发生取向，作用小，且在流体的厚度方向作用力不同，所以纳米线发生取向的效果并不明显，另外流延工艺参数，如速度、力的大小等无法精确，导致每次实验无法重复一致。

如图3所示，同济大学翟继伟教授团队通过两步水热法合成高度(110)取向的BaTiO₃纳米线阵列作为填充相制备的BaTiO₃/PVDF复合物，介电常数提高到23，在320kV/mm电场下，获得能量密度为11.82J/cm³。但该法工艺条件苛刻、成本高，只能制备小尺寸样品，且一次产量低，难以实现大量生产。