[发明专利]一种高温储能杂化聚醚酰亚胺介电薄膜及其制备方法与应用

说明书

本发明提出了一种高温储能杂化聚醚酰亚胺介电薄膜及其制备方法和应用，属于聚合物电容器薄膜技术领域，包括：将带有羟基官能团的聚醚酰亚胺单体反应合成带羟基端基或侧链的聚醚酰胺酸溶液，再向其中加入水和金属醇盐作为无机组分前驱体，形成均匀的溶胶，通过涂膜和热亚胺化处理，制备出薄膜。通过一步合成法制备，并在杂化过程引入的无机相，实现分子级分散，改善了无机相的团聚和与有机相的界面相容性，提高了介电薄膜在高温下的储能性能。本发明所得杂化电介质材料在在200℃、90％效率下的储能密度可以达到3.0‑3.64J/cm³，大大超过现有电介质。且击穿强度、泄漏电流、玻璃化转变温度等其他性能均有提升，综合介电性能好。

技术领域

本发明涉及聚合物电容器薄膜技术领域，具体涉及一种高温储能杂化聚醚酰亚胺介电薄膜及其制备方法与应用。

背景技术

介电电容器是储能器件中功率密度最高的器件，是实现先进电子和电力系统的主要技术之一。特别是，具有高工作温度的电容器对下一代汽车和航空动力系统至关重要。在电动汽车中，功率逆变器按照控制电动机所需的频率将电池中的直流电转换成交流电。由于与发动机的距离很近，而且对功率的需求不断增加，这就要求作为功率逆变器的基本元件的电容器必须在140℃以上工作。其中以有机聚合物为介质材料的电容器——有机薄膜电容器，凭借其质量轻、加工性能好、生产成本低、介电强度高、自愈性好、集成组装工艺简单以及无液体介质等特点，成为上述领域应用的首选。

但是，现有的商用聚合物介质如双轴取向聚丙烯薄膜(BOPP)，在100℃以上的高电场下工作时，其介电性能显著退化。为了提高聚合物电介质的高温性能，国内外研究者及业界开发生产了具有高玻璃化转变温度的聚醚酰亚胺材料。但是该材料在150℃及400MV/m以上的高温及强电场条件下难以满足应用需求。

专利CN103981559B公开了一种低介电聚醚酰亚胺薄膜的制备方法，首先制备电沉积用模板，然后将可溶性聚酰亚胺溶于有机溶剂，通过分子修饰使分子链带电正荷制得电沉积用乳液，在处理后的模板上电沉积聚酰亚胺薄膜，随后将模板刻蚀，在薄膜中引入气孔，降低聚酰亚胺薄膜的介电常数，最后涂覆聚酰亚胺溶液并热处理得到低介电聚酰亚胺薄膜。但该制备方法步骤复杂，操作难度大，增加了聚醚酰亚胺薄膜的生产成本，难以工业化应用。

专利CN111004507A公开了一种交联型聚醚酰亚胺基介电复合薄膜的制备方法和用途，采用具有核壳结构的纳米陶瓷粒子作为填料，并对该填料的表面进行有机功能化改性，引入了可交联官能团，使纳米粒子与聚醚酰亚胺基体发生交联反应，形成网状结构，解决填料的分散性及相容性问题；同时采用具有良好耐热性和机械性能的可交联聚醚酰亚胺作为聚合物基体材料，制备具有良好介电性能的交联型聚醚酰亚胺基介电复合薄膜材料，其在室温下和高温下均具备较高的介电常数以及较低的介电损耗。虽然该介电复合薄膜具有良好的介电性能，但其不具备良好的储能性能，从而限制了其应用。

发明内容

本发明的目的在于提出一种高温储能杂化聚醚酰亚胺介电薄膜及其制备方法与应用，增强无机组分的分散性与同聚醚酰亚胺间的相容性，提高聚合物介质在150℃或200℃的高温、200MV/m以上的高电场环境下的击穿强度、储能密度及综合介电性能。

本发明的技术方案是这样实现的：

本发明提供一种高温储能杂化聚醚酰亚胺介电薄膜的制备方法，将带有羟基官能团的聚醚酰亚胺单体反应合成带羟基端基或侧链的聚醚酰胺酸溶液，再向其中加入水和金属醇盐作为无机组分前驱体，形成均匀的溶胶，通过涂膜和热亚胺化处理，制备出高温储能杂化聚醚酰亚胺介电薄膜。

作为本发明的进一步改进，具体包括以下步骤：

S1：将二酐、二胺和另一种带有羟基官能团的二胺在无水的非质子溶剂中进行聚合反应，得到羟基官能化的聚醚酰胺酸溶液；图1给出了其中一种羟基官能化的聚醚酰胺酸的化学结构式；

S2：向无水的非质子溶剂中加入水，混合均匀后加入步骤S1中得到的聚醚酰胺酸溶液；