[发明专利]一种二维纳米片-聚合物柔性复合薄膜及其制备方法

说明书

本发明提供一种二维纳米片‑聚合物柔性复合薄膜及其制备方法，由二维纳米片和聚合物基体制备而成，所述二维纳米片由具有钙钛矿结构的(Ca,Sr)₂(Nb,Ta)₃O₁₀体系中的任意一种或一种以上材料制备而成，所述聚合物为聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯‑三氟乙烯、聚偏氟乙烯‑六氟丙烯、环氧树脂、聚丙烯、聚酰亚胺中的任意一种或一种以上材料制备而成，制备过程包括：高温烧结合成KCa₂Nb₃O₁₀材料；质子交换反应合成HCa₂Nb₃O₁₀·1.5H₂O材料；剥离成二维纳米片；再通过流延法制备成柔性复合薄膜产品。本发明通过向聚合物基体中添加二维纳米片来实现在较低的无机物添加量下获得性能优异的聚合物基复合材料，从而使复合材料保留聚合物基体的良好柔韧性，提高复合薄膜击穿场强。

技术领域

本发明涉及电介质复合材料制造技术领域，具体涉及一种二维纳米片-聚合物柔性复合薄膜及其制备方法。

背景技术

随着物联网、大数据、新能源汽车、智能终端等高新技术产业的飞速发展，全球电容器市场实现了快速增长，已经由2012年的173亿美元扩张至2017年的209亿美元。根据不同的应用场景需求，也衍生出了不同电介质材料的电容器，现在市场上应用比较广泛的是陶瓷电容器、铝电解电容器、钽电解电容器和薄膜电容器。陶瓷电介质因其介电常数高而使用较广，但其脆性大、损耗大、无法使用于印刷电路板(PCB)等弊端也不容忽视。面对电容器微型化、柔性化、无源化的发展趋势，单一的无机陶瓷电介质材料已无法满足要求。聚合物电介质材料因其柔韧性好、质量小、易于加工、容易大面积制成薄膜的特点而广泛用于薄膜电容器。其中，无机陶瓷材料具有很高的介电常数，但在高压条件下的击穿场强较低；而有机聚合物材料的击穿场强较高，但其介电常数比较低。因此，具有良好柔韧性、质量较小、易于加工且成本低廉的有机-无机复合电介质材料受到了广泛的关注。向聚合物基体中添加无机陶瓷材料，使其介电常数显著提高的同时具有聚合物基体的高击穿场强。在电气工程领域，这种聚合物基复合电介质材料是一种良好的高压电缆终端应力锥材料；在机械电子领域，这种聚合物基复合电介质材料与有机电路板具有良好相容性，而广泛用于嵌入式电路板中。除此之外，伴随着国家智能电网和新能源产业的发展，高功率和大容量的电容器已成为新能源市场的重大需求，聚合物基复合薄膜因其高击穿场强而成为高功率元件的重要元件。

现有的研究主要是向聚合物基体中添加具有高介电常数的陶瓷颗粒来提高聚合物基复合材料的相对介电常数，常用的陶瓷颗粒有钛酸钡(BaTiO₃)、二氧化钛(TiO₂)、二氧化锆(ZrO₂)等。但此种方案存在的问题明显，需要较高的无机陶瓷颗粒的添加量才能提升复合材料的介电常数，无机陶瓷颗粒的体积分数一般大于50％，这将使复合材料的柔韧性大大降低。此外，过多无机组分的加入会引起缺陷使复合薄膜的击穿场强降低。因此，有必要对现有技术进行改进。

发明内容

本发明的目的是提供一种二维纳米片-聚合物柔性复合薄膜及其制备方法，通过向聚合物基体中添加二维纳米片来实现在较低的无机物添加量下获得性能优异的聚合物基复合材料，从而使复合材料保留聚合物基体的良好柔韧性，提高复合薄膜击穿场强。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种二维纳米片-聚合物柔性复合薄膜，由二维纳米片和聚合物基体制备而成。

根据以上方案，所述二维纳米片由具有钙钛矿结构的(Ca,Sr)₂(Nb,Ta)₃O₁₀体系中的任意一种或一种以上材料制备而成。

根据以上方案，所述二维纳米片的长度和宽度均为0.1-1μm，厚度为1-2nm，所述二维纳米片-聚合物柔性复合薄膜的厚度为1-100μm。