[发明专利]三层结构树脂基复合材料及其应用

说明书

本发明公开了一种三层结构树脂基复合材料及应用。本发明通过微波固化法制备取向碳纳米管束/环氧树脂复合材料（记为B层），通过刮涂‑热固化法制备钛酸钡纳米纤维/环氧树脂复合材料（记为E层），经过层层固化技术构建B‑E‑B三层结构复合材料。与现有技术制备的导体‑绝缘层/聚合物层状结构复合材料相比，本发明提供的三层结构复合材料兼具高介电常数（1000，@100Hz）、低介电损耗和高储能密度，并且制备工艺可控易行，生产周期短，适合大规模应用。

技术领域

本发明涉及一种兼具高储能密度、高介电常数（1000，100Hz）和低介电损耗（0.6，100Hz）树脂基复合材料及其应用，特别涉及一种三层结构树脂基复合材料及其应用，属于介电功能复合材料技术领域。

背景技术

随着脉冲功率设备、电子功率系统以及紧凑型、低成本电器需求的激增，迫切需要能够存贮和瞬间输出能量的电能存储元件。电介质电容器充放电时均不涉及电化学反应，且一般为固态，不发生形态变化，并具有高的使用温度，有利于保证脉冲功率设备、电子功率系统的稳定运行及服役可靠性。高性能的介电储能材料是电介质电容器的核心材料，其中高介电常数聚合物基复合材料具有轻质、易加工、介电性能可调等优势，被公认为用于高性能介电电容器的最具希望的候选材料。

线性电介质的储能密度（U_e）正比于电介质的介电常数（ε_r）和击穿强度（E_b）的平方。迄今为止，聚合物基复合材料普遍不能兼具高介电常数和高击穿强度。例如，陶瓷/聚合物复合材料中，陶瓷含量即使高达50vol%以上，介电常数仍小于100，且结构缺陷多，击穿强度低。导体/聚合物复合材料中，利用渗流现象获得很高的介电常数，但其介电性能对导体含量非常敏感，且介电损耗高（＞1，@100Hz），易发生击穿，而且介电常数也低于350。

为了解决上述问题，近年来，人们制备了多种类型的多层结构复合材料，但现有文献报道的多层结构复合材料的介电常数普遍较低（350，@100Hz），且工艺复杂，周期较长。

因此，如何采用简单的工艺制备低介电损耗、高E_b和高U_e的高介电常数聚合物基复合材料依然是一项十分有挑战性的工作。在功能填充体中，由许多单根碳纳米管在一定方向相互作用组成的取向碳纳米管束具有出色的力学性能、导电性和分散性，相比其他一维材料，能更有效地改善纳米复合材料的介电性能。但是，取向碳纳米管束含量较高时，所制得的聚合物基复合材料的介电常数（265，@100Hz）仍有待进一步提高；同时取向碳纳米管束/树脂复合材料同样存在介电损耗较大、击穿强度低、储能密度低的问题。

发明内容

为了克服现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供兼具高储能密度、低介电损耗和高介电常数的新型树脂基复合材料，且建立制备工艺可控易行，生产周期短，适合大规模应用的制备方法。

实现本发明目的的技术方案是：

一种三层结构树脂基复合材料，所述三层结构树脂基复合材料的制备方法包括以下步骤：

（1）将可固化树脂体系与取向碳纳米管束混合，得到取向碳纳米管束预聚物；然后将预聚物分为第一预聚物、第二预聚物；然后将第一预聚物预固化，得到取向碳纳米管束预固化片；

（2）将能固化树脂体系与聚多巴胺包覆的钛酸钡纳米纤维混合，得到钛酸钡纳米纤维预聚物；然后将钛酸钡纳米纤维预聚物制膜后预固化得到钛酸钡纳米纤维预固化片；

（3）将钛酸钡纳米纤维预固化片浸润第二预聚物后平铺于取向碳纳米管束预固化片上；然后将第二预聚物浇注于钛酸钡纳米纤维预固化片上；再经过固化，得到三层结构树脂基复合材料。

本发明还公开了一种三层结构树脂基复合材料的制备方法，包括以下步骤：