[发明专利]一种非对称三层结构全聚合物介电复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种非对称三层结构全聚合物介电复合材料及其制备方法，属于介电复合材料的制备技术领域。该介电复合材料包括自下而上依次排布的第一层体、第二层体及第三层体，其中，第一层体为纯聚偏氟乙烯薄膜，第二层体为混合聚醚酰亚胺/聚偏氟乙烯薄膜，第三层体为纯聚醚酰亚胺薄膜。本发明将具有高充放电效率的线性电介质聚醚酰亚胺和具有高储能密度的铁电材料聚偏氟乙烯以及二者共混的PEI/PVDF三层薄膜相结合，利用流延法和热压法制备三层全聚合物介电复合材料。利用中间过渡层使电场分布更加均匀以及线性电介质层和铁电层的协同作用，实现了储能密度和效率的共同提升。

技术领域

本发明属于介电复合材料的制备技术领域，具体涉及一种非对称三层结构全聚合物介电复合材料及其制备方法。

背景技术

目前，限制薄膜电容器是应用的一大难题是储能密度太低。因此，为提高聚合物复合材料的储能密度，研究者提出了各种复合材料设计策略。

研究表明，通过设计具有叠层结构的多层复合材料，利用各功能层之间的协同效应可以获得储能密度的显著提升。例如，西安交通大学汪宏课题组报道了一种具有成分梯度的三层结构钛酸钡/聚偏氟乙烯复合材料，具有高钛酸钡含量的外层提供高介电常数，低钛酸钡含量的中间层提供高击穿强度，通过成分优化大幅提高了击穿强度，同时保持较高的介电常数。清华大学沈洋课题组采用静电纺丝和热压的方法制备了多达16层的聚偏氟乙烯/钛酸钡复合薄膜，其放电能量密度高达35.4J/cm³。

虽然通过设计叠层结构可以使复合材料的储能密度得到显著提升，但目前报道的复合材料的充放电效率大部分低于80％，极大地限制了其实际应用。也就是说，如何有效地实现充放电效率和储能密度的协同提升仍是介电储能材料领域亟待解决的难题。

为了最大程度地实现储能密度的提升，目前报道的叠层介电储能材料普遍采用铁电聚合物(如聚偏氟乙烯及其共聚物)作为基体，铁电陶瓷(例如钛酸钡)为填料，构建多层(三层以上)材料。该设计虽然能实现偶极子极化和界面极化强度的显著提升，从而获得高储能密度，但是铁电相的极化损耗和漏导损耗较高，且层间界面处也存在较强的界面极化损耗，从而导致复合材料的效率较低。

因此，现有技术有待于进一步改进。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种非对称三层结构全聚合物介电复合材料，该介电复合材料可以实现储能密度和效率的共同提升。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种非对称三层结构全聚合物介电复合材料，自下而上其包括第一层体、第二层体及第三层体，其中，第一层体为纯聚偏氟乙烯薄膜，第二层体为混合聚醚酰亚胺/聚偏氟乙烯薄膜，第三层体为纯聚醚酰亚胺薄膜。

进一步的，上述的第一层体、第二层体及第三层体的大小及厚度均相同。

本发明的另一目的在于提供上述非对称三层结构全聚合物介电复合材料的制备方法。

上述非对称三层结构全聚合物介电复合材料的制备方法，包括以下步骤：上述的第一层体、第二层体和第三层体之间是通过热压法制备得到的，上述的热压法采用的工艺条件为：温度170～190℃，压力7.5～8.5MPa，时间20～40min。

进一步的，上述的第一层体、第二层体、第三层体均通过流延法制备得到。

进一步的，上述的第一层体的制备方法为：

第一步、称取一定量的聚偏氟乙烯，将其加入至装有N-甲基-2-吡咯烷酮的容器中，在一定温度下搅拌，待聚偏氟乙烯完全溶解之后继续搅拌，得聚偏氟乙烯溶液；

第二步、将上述的聚偏氟乙烯溶液置于洁净的玻璃板上刮膜成型，随后置于鼓风式干燥箱内保温，保温分为两个阶段：

第一阶段：以1℃/min的升温速度从室温升至100℃，保温4h；