[发明专利]一种无铅反铁电体与聚合物共混的电介质材料制备方法

说明书

本发明公开了一种无铅反铁电体与聚合物共混的电介质材料制备方法。本发明制备得到的电介质材料由聚合物和分散在聚合物中的无铅反铁电粒子——钛酸铋钠‑钛酸锶钡组成；所述的无铅反铁电粒子通过固相法合成。所述的无铅反铁电粒子通过加入偶联剂进行改性。采用流延法制备得到复合薄膜材料，其中无铅反铁电粒子的质量分数是1～50％，所得的薄膜厚度为5～30微米。本发明采用的反铁电粒子是无铅的，对环境和人体身体健康友好。本发明制备的复合薄膜材料击穿场强400MV/m，储能密度高达15.3J/cm³；是一种可用于电容器、大功率静电储能材料。

技术领域

本发明属于功能材料制备技术领域，涉及一种高击穿高储能的无铅亚微米-纳米粒子复合材料的制备方法，具体是一种无铅钛酸锶钡-钛酸铋钠与聚合物共混所得的一种高性能复合材料。

背景技术

随着信息技术的发展，在电子和微电子领域，小型化与轻量化是电子元件发展的主要趋势。电容器作为基础元器件而受到广泛关注，它在电路中可以起到隔直通交，耦合、旁路、滤波等作用。此外，在新型领域，如电动汽车，激光武器等领域，由于电容器放电迅速，驰豫时间短，可以作为储能器件与功率器件使用。因此，制备此类电容器的关键材料——电介质材料要求具有高介电常数、高极化值、低介质损耗和高电场强度等优异性能。近年来，轻薄的新型高介电高储能介质材料成为当今电容器领域的前沿研究课题。

常见的电容器材料有聚合物材料和电子陶瓷两类，相比较电子陶瓷来说，聚合物拥有较高的杨氏模量和高击穿场强，其击穿场强可以达到400MV/m。此外，聚合物材料由于加工方便、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，被广泛应用在电介质材料中。但聚合物材料的介电常数值较低，导致储能密度低，如常见的聚合物材料聚丙烯(PP)的介电常数在2～3之间，在400MV/m下的储能密度仅在1J/cm³介电常数最高的含氟聚合物PVDF的也仅在8～10之间。要想提高电介质的介电常数，一种有效的方式是往含氟聚合物(如PVDF)中添加高介电常数的无机粒子，从而获得具有高击穿电场和高介电常数的聚合物复合材料。

但仅是简单机械地加入无机粒子，电介质的击穿强度会大幅降低，因此如何平衡两者之间的优势，制备出具有高电场强度和高电位移，低剩余极化、低损耗的高介电复合材料非常有意义。研究发现在聚合物中添加无机反铁电体颗粒可有效提高聚合物的击穿强度，例如锆钛酸铅矿等，但这类含铅无机粒子对环境和人类健康产生威胁。因此，无铅化的反铁电无机粒子开始引起广泛的关注，比如钛酸铋钠、铌酸银等，又为满足高击穿、高储能等的高性能，本发明基于此类的无铅化反铁电粒子发明了无铅的高性能复合材料。

发明内容

本发明的目的针对复合材料中含铅粒子对环境的危害性，从而提出采用无铅化反铁电颗粒作为填充粒子。制备出一种应用于电容器介质——无铅反铁电/PVDF复合材料。该材料具有高电场强度和高电位移，低剩余极化、低损耗、高储能等特性。

本发明的具体步骤如下：

步骤一、将钛酸铋钠与钛酸锶钡通过固相法合成，得到粉末状的无铅反铁电粒子(Na_0.5Bi_0.5)TiO₃-x(Sr_0.7Bi_0.2)TiO₃。x为钛酸铋钠与钛酸锶钡的摩尔比。

步骤二、称取将步骤一所得的无铅反铁电粒子加入到偶联剂中，并水浴加热。将混合溶液装入离心管，进行多次离心，离心后所得沉淀进行干燥，得到改性后的无铅反铁电粒子。

步骤三、将基体聚合物添加到极性溶液中溶解，得到聚合物溶液。

步骤四、将改性后的无铅反铁电粒子加入到聚合物溶液中，进行搅拌和超声处理，得到悬浮液。

步骤五、将悬浮液涂覆在石英板上，得到复合薄膜雏形。

步骤六、对复合薄膜雏形进行干燥并热处理和淬火，得到复合薄膜材料。