[发明专利]一种一维TiO2

说明书

本发明公开了一种一维TiO₂纳米线杂化结构掺杂的聚偏氟乙烯复合薄膜及其制备方法，特点是该杂化结构为一维TiO₂纳米线外面包裹Fe₃O₄微粒，再用EDA修饰，一维TiO₂纳米线杂化结构在复合薄膜中的掺杂量为1~20 vol%，其制备方法包括合成TiO₂@Fe₃O₄纳米线的步骤；TiO₂@Fe₃O₄纳米线的乙二胺有机修饰的步骤；将TiO₂@Fe₃O₄@EDA纳米线、二甲基甲酰胺和聚偏氟乙烯粉末混合，搅拌反应后抽真空，滴在水平导电玻璃上并铺平后迅速抽真空，加热烘干后继续升温至205℃保温10分钟后，放入冰水中淬火清洗后烘干的步骤；优点是低填充量、高储能密度、高击穿场强以及高充放电效率。

技术领域

本发明属于介质电容器领域，尤其是涉及一维TiO₂纳米线杂化结构掺杂的聚偏氟乙烯复合薄膜及其制备方法。

背景技术

随着高新产业的迅猛发展，聚合物基介电薄膜电容器作为一种高介电高储能的电子元件被广泛应用于新能源汽车、脉冲武器系统、微型医疗设备等领域。早期的大量研究结果显示，聚合物基介电薄膜电容器的高储能和高效率往往不可能两者兼得，这是因为在最初的研究中为了提高复合薄膜的介电常数，将高介电的纳米或微米级的陶瓷和金属颗粒填充到聚合物基体中，当掺杂的体积分数很高时（ 50 vol.%）才能够显著提高复合薄膜的介电性能。而高的填充量带来的填料团聚、漏电损耗变大等问题使得复合薄膜的效率大大降低。

随着实验设备和实验方法的进步，特别是静电纺丝技术的广泛应用使得一维纳米线状高介电填料成为了时下研究的热点。：一维纳米线状高介电填料的优点在于：（1）一维纳米线填料因其高长径比和较小的比表面积，能够在提高介电性能的同时增加击穿路径的曲折度从而提高击穿场强。（2）功能化的有机修饰；不但有效改善填料和聚合物基体之间的兼容性而且还起到“缓冲层”的作用，减小漏电损耗，增强界面极化。（3）特殊结构一维纳米线带来的“协同效应”；这种特殊结构可能同时具有两种以上无机填料的优势，极大地提高复合材料的整体性能。（4）TiO₂纳米线作为常见的半导体材料具有较高的介电常数，较低的介电损耗以及良好的电导率，为降低复合材料整体的电导率、提高击穿场强提供了基础。

聚合物基介电复合材料作为电容器中的重要构成材料，就必须要兼具介电常数高、储能密度大、柔韧性好、可操作电场大等优点，这就使传统的介电复合材料无法满足当下的实际需求。常用的传统介电聚合物如双向拉伸聚丙烯（BOPP）、聚酰亚胺（PI）、环氧树脂（EP）、聚苯乙烯（PS）等，虽然拥有超高的击穿场强（ 500 MV/m），但因其较低的介电常数（4），导致其无法应用于高储能领域。而聚偏氟乙烯（PVDF）及其共聚物P(VDF-HFP)、P(VDF-TrFE-CTFE)、P(VDF-CTFE)等聚合物有着较高的介电常数和柔性，使其成为高性能介电材料基体的首选。但是，想要获得高储能密度的聚合物基介电复合材料光靠聚合物基体的介电常数远远不够。因此，向聚合物基体中添加高介电填料被众多学者认可，成为时下研究的热点。

复合薄膜的能量存储性能主要由储能密度和充放电效率来体现。其中储能密度的大小由复合材料的介电常数和击穿电场强度决定，充放电效率则为放电能量密度占总能量密度的比值。现阶段对于提高复合材料介电性能的方法主要有向聚合物基体中填充高介电常数的绝缘陶瓷填料或者同时加入导电和绝缘的陶瓷纳米填料。由于高介电的陶瓷纳米填料的加入，复合材料的介电性能明显改善，储能密度得到了提升，但随着填料含量的增加，填料在基体中的分散性也会随之下降，缺陷和团聚的现象也不断增多，这会导致击穿场强急剧下降，同时材料本身的柔韧性也会遭到破坏。虽然利用多种材料的优点制备得到复合材料可以提升储能密度，但最大的缺点是充放电效率低，因为多种填料在聚合物基体中很难实现均匀分散，容易发生团聚和相互缠绕，使复合材料的损耗和漏电流增大，储能效率明显降低。

发明内容