CN101714453A - 薄膜电容器 - Google Patents
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Abstract
一种电容器，其包括基质层、设置在该基质层上的第一电极层和设置在该电极层上的第一介电层。该介电层包括无机的铁电或反铁电粒子以及延伸率为小于或等于约5％的聚合物材料。
Description
技术领域
本发明包括涉及电容器的多个实施方案。更具体的，本发明包括涉及薄膜电容器的多个实施方案。
背景技术
薄膜电容器一般由金属化聚合物薄膜共同卷绕构成。该聚合物薄膜必须具有足够的延展性以确保薄膜正确卷绕，而选择易损坏或易碎的膜材料是不可能的。因此，在电子产业、汽车产业、航空产业、石油和天然气开采业都需要这样一种电容器，而这种电容器包括易损坏或易碎的聚合物，但依然表现出高的介电常数、高的击穿强度和优良的机械强度。
发明内容
在一个实施方案中，电容器包括基质层、设置在该基质层上的第一电极层，和设置在该电极层上的第一介电层。该介电层包括延伸率小于或等于约5％的聚合物材料、以及无机的铁电或反铁电粒子。
在另一实施方案中，电容器包括基质层，该基质层包括三乙酸纤维素，并且该基质层的抗拉强度大于或等于约300psi。第一电极层设置在该基质层上，并且第一介电层设置在该电极层上。该介电层包括无机的铁电或反铁电粒子，以及延伸率小于或等于约5％的聚合物材料。
附图说明
图1是根据本发明一个实施方案的薄膜电容器的横截面图。
图2是根据本发明另一个实施方案的薄膜电容器的横截面图。
图3是根据本发明另一个实施方案的多层薄膜电容器的横截面图。
具体实施方式
本发明的薄膜电容器具有改进的介电和机械性能。这里所述的介电性能的一部分是介电常数、击穿电压和损耗因子。电介质的所述“介电常数”是指电极之间或周围的空间填充该电介质的电容器的电容量与同样构造的电极之间是真空的电容器的电容量之比。像本文中所用的那样，所述“电介质击穿电压”是指在提供AC或DC电压的情况下，一种材料的介电击穿电阻的度量。就在击穿之前所提供的电压除以电介质的厚度就得到击穿电压。其测量单位为kV/mm。在理想电介质中，电压波和电流波的相位差为90°。在真实的电介质中，当电介质的效率小于100％时，电流波就开始正比例滞后于电压。这导致能量在电介质中正比损失。电流波偏离出电压90°相位角的程度定义为介电损耗角。这个损耗角的正切就是众所周知的损耗因子或耗散因子。
如图1所示，薄膜电容器10包括设置在基质层14上并且由基质层14支撑的第一电极层12。在一个实施方案中，该基质层14是聚合物层，设置在该基质层上的该第一电极层12形成金属化聚合物薄膜。包括该基质层14和第一电极层12的该金属化聚合物层作为基质，该基质为沉积在其上的一层或多层介电层提供足够的机械强度和弹性。该金属化聚合物层基质薄膜基质在形成电容器的加工过程中也为介电层提供机械支撑。该基质层14的合适材料包括，但不局限于，聚醚酰亚胺、三乙酸纤维素、聚苯砜、聚酯、聚酰亚胺、聚醚醚酮、或它们的组合。在一优选实施方案中，该基质层14包括三乙酸纤维素。
基质层14的抗拉强度是该基质层的弹性和柔韧性的度量。期望基质层14的抗拉强度为大于或等于约3000psi。在另一实施方案中，基质层14的抗拉强度为大于或等于约5000psi。在另一实施方案中，基质层14的抗拉强度为大于或等于约7000psi。在又一实施方案中，基质层14的抗拉强度为大于或等于约9000psi。
基质层14的延伸率优选大于或等于约2％。在一实施方案中，基质层14的延伸率为大于或等于约5％。在另一实施方案中，基质层14的延伸率为大于或等于约10％。在另一实施方案中，基质层14的延伸率为大于或等于约50％。
第一介电层16设置在第一电极层12上。介电层16可通过任何本领域公知的方法沉积在第一电极层12上，包括但不限定于，溶剂浇注、旋涂、浸渍涂覆或照相凹版式涂覆。照相凹版式涂覆过程依赖螺旋辊子在涂料中运转，使得辊子上被雕刻的点或线充满涂覆材料。辊子上过量的涂料通过刮刀除去，然后涂料沉积在基质上，例如在此所述的金属化聚合物载体薄膜。涂覆材料可以包括溶解在适合溶剂中的介电材料。
电极层12可以通过热蒸发、物理气相沉积或溅射或化学气相沉积沉积在基质层14上。如果需要，第一电极层12可沉积在基质层14的第一表面18上，并且第二电极层22可以沉积在基质层的相对的第二表面24上。基质层14的侧面26也可以金属化，使得基质层14如图1所示主要设置在单一的金属化层中。沉积在基质层14的侧面26上的金属化层15包括与形成电极层12、22的同样的材料。在基质层14上沉积电极层12和22之后，第一介电层16可如前所述沉积在第一电极层上。
图2为薄膜电容器20的一个实施方案，其中第一电极层12沉积在基质层14的第一表面18上。金属化聚合物薄膜包括基质层14和第一电极层12，该金属化聚合物薄膜用作基质，该基质为待沉积其上的一层或多层介电层提供足够的机械强度和弹性。该金属化聚合物薄膜基质在形成电容器的加工过程中也为介电层提供机械支撑。然后第一介电层16沉积在第一电极层12上，其中第一电极层设置在基质层14和第一介电层之间。第二电极层22沉积在第一介电层16上，其中第一介电层设置在第一电极层12和第二电极层22之间。
如果需要，可加入附加的电极和介电层以形成多层电容器薄膜30，如图3所示。例如，第二介电层32沉积在第二电极层22上，其中第二电极层设置在第一介电层16和第二介电层32之间。第三电极层34沉积在第二介电层32上，借此第二介电层设置在第二电极层22和第三电极层34之间。附加的介电层36、38和42以及电极层44、46和48交替形成，其中每一层介电层位于两个电极层之间。介电层和电极层如前述的方式沉积。
如图3所示，终端金属化层52必须沉积在电容器薄膜30的侧面作为引出电极以连接电容器。沉积金属化层52的合适的方法包括等离子溅射技术和如前所述的沉积电极的方法。
介电层通常的厚度为约0.1微米到约20微米。在一个实施方案中，介电层的厚度为约5微米到约15微米。在另一实施方案中，介电层的厚度为约10微米到约15微米。
电极层通常的厚度为约20埃到约300埃。在一实施方案中，电极层的厚度为约30埃到约150埃。在另一实施方案中，电极层的厚度为约50埃到约100埃。
基质层14的厚度可为约0.1微米到约15微米。在一实施方案中，基质层的厚度为约1微米到约10微米。在另一实施方案中，基质层的厚度为约3微米到约5微米。
本发明的实施方案中，电极层或金属化层可包括铝、铜、锌、或其组合。在一优选实施方案中，电极层包括铝、铜或锌箔中的至少一种。更优选的，电极层包括铝或铝锌合金。在另一优选实施方案中，金属化层包括铝。
在一个实施方案中，介电层包括易损坏和易碎的聚合物材料，该聚合物材料具有高的介电常数和高的击穿强度。像这里所用的，除非特别说明，“聚合物材料”仅仅指在介电层中存在的聚合物材料。该聚合物材料和介电层通常具有至少100kV/mm的击穿电压。在一个实施方案中，该聚合物材料和介电层的击穿电压为至少300kV/mm。在另一实施方案中，该聚合物材料和介电层的击穿电压为至少450kV/mm。在另一实施方案中，该聚合物材料和介电层的击穿电压为至少600kV/mm。
该聚合物材料可包括选自宽范围的热塑性聚合物、热固性聚合物、热塑性聚合物的共混物、热固性聚合物的共混物或热塑性聚合物和热固性聚合物的共混物。该聚合物材料可以包括均聚物、共聚物例如星状嵌段共聚物、接枝共聚物、交替嵌段共聚物或无规共聚物、离聚物、树形高分子(dendrimer)或包括前述至少一种的组合。该聚合物材料也可以是聚合物、共聚物等、或包括前述至少一种的组合的共混物。
可用于该聚合物材料的热塑性聚合物的例子包括：聚缩醛、聚丙烯酸类、聚碳酸酯、聚醇酸树脂(polyalkyds)、聚苯乙烯、聚烯烃、聚酯、聚酰胺、聚芳酰胺、聚酰胺酰亚胺、多芳基化合物、聚氨酯、环氧树脂、酚醛树脂、硅酮、聚芳基砜、聚醚砜、聚苯硫醚、聚砜、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚四氟乙烯、聚醚酮、聚醚醚酮、聚醚酮酮、聚苯并噁唑、聚噁二唑、聚苯并噻嗪吩噻嗪(polybenzothiazinophenothiazines)、聚苯并噻唑、聚吡嗪喹喔啉、聚均苯四酰亚胺、聚喹喔啉、聚苯并咪唑、聚氧代吲哚(polyoxindoles)、聚氧代异二氢吲哚(polyoxoisoindolines)、聚二氧代异二氢吲哚(polydioxoisoindolines)、聚三嗪、聚哒嗪、聚哌嗪、聚嘧啶、聚哌啶、聚三唑、聚吡唑、聚碳硼烷、聚氧代二环壬烷(polyoxabicyclononanes)、聚二苯并呋喃、聚苯并呋喃酮(polyphthalides)、聚缩醛、聚酐、聚乙烯基醚、聚乙烯基硫醚、聚乙烯酮、聚卤乙烯、聚乙烯腈、聚乙烯酯、聚磺酸盐、多硫化物、聚硫酯、聚砜、聚磺酰胺、聚脲、聚磷腈、聚硅氨烷、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚偏二氟乙烯、聚硅氧烷、聚苯醚、氰乙基纤维素、三乙酸纤维素等或包括前述至少一种的热塑性树脂的组合。
热塑性聚合物的例子包括聚醚酰亚胺、聚偏二氟乙烯、聚偏二氟乙烯-三氟乙烯P(VDF-TrFE)、聚偏氟乙烯四氟乙烯共聚物P(VDF-TFE)、和聚偏氟乙烯六氟丙烯共聚物P(VDF-HFP)、环氧树脂、聚酯、聚酰亚胺、多芳基化合物、聚苯砜、聚苯乙烯、聚醚砜、聚酰胺酰亚胺、聚氨酯、聚碳酸酯、聚醚醚酮、聚苯醚、氰乙基纤维素、氰乙基支链淀粉(cyanoethyl pullulan)、三乙酸纤维素等或包括前述至少一种的组合。
热塑性树脂的混合物的例子包括丙烯腈-丁二烯-苯乙烯/尼龙、聚碳酸酯/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、聚苯基醚/聚苯乙烯、聚苯基醚/聚酰胺、聚碳酸酯/聚酯、聚苯基醚/聚烯烃、纤维素氰基树脂(cellulosic cyanoresin)/三乙酸纤维素、氰乙基支链淀粉(cyanoethyl pullulan)/聚偏二氟乙烯等或包括前述至少一种的组合。在一优选实施方案中，该聚合物材料是纤维素氰基树脂。
可用于该聚合物材料的热固性聚合物的例子是树脂环氧树脂/胺、环氧树脂/酐、异氰酸酯/胺、异氰酸酯/醇、不饱和聚酯、乙烯酯、不饱和聚酯和乙烯酯共混物、不饱和聚酯/氨基甲酸乙酯混合树脂、聚氨基甲酸乙酯-脲、热固性聚苯醚、硅酮、氟代硅酮、苯并咪唑、氰酸盐(cyanate)、双马来酰亚胺、反应性二聚环戊二烯树脂、反应性聚酰胺等或包括前述至少一种的组合。
在一个实施方案中，合适的热固性聚合物包括可由能量活化(energyactivatable)热固性预聚物组合物制备的热固性聚合物。例子包括聚氨酯，例如氨基甲酸乙酯聚酯(urethane polyesters)、硅酮聚合物(silicone polymers)、酚醛聚合物(phenolic polymers)、氨基聚合物、环氧聚合物、双马来酰亚胺、聚酰亚胺、和呋喃聚合物。能量活化热固性预聚物组分可包括聚合物前体和固化剂。聚合物前体可被热活化，而消除对于催化剂的需求。选择的固化剂不仅仅决定形成热固性聚合物所需的能量的类型，它还可影响热固性聚合物的最终性能。固化剂的例子包括脂族胺、芳香胺、酸酐、过氧化物、路易斯酸等、或包括前述至少一种的组合。能量活化热固性预聚物组合物可包括溶剂或加工助剂以降低组合物的粘度，从而在更高的产量和更低的温度下轻松的挤出。溶剂能够帮助减慢交联反应的速度以及能够在聚合期间或聚合之后部分或完全的蒸发。溶剂还能够作为反应稀释剂，在固化前作为粘度助剂以及在固化过程中反应得到最终的聚合物。
该聚合物材料期望具有大于或等于约120℃的玻璃转变或软化温度。在一实施方案中，该聚合物材料期望具有大于或等于约150℃的玻璃转变或软化温度。在另一实施方案中，该聚合物材料期望具有大于或等于约200℃的玻璃转变或软化温度。在另一实施方案中，该聚合物材料期望具有大于或等于约260℃的玻璃转变或软化温度。
在一实施方案中，该聚合物材料占介电层总重量的约5-约99.999wt％。在另一实施方案中，该聚合物材料占介电层总重量的约10-约99.99wt％。在另一实施方案中，该聚合物材料占介电层总重量的约30-约99.5wt％。在另一实施方案中，该聚合物材料占介电层总重量的约50-约99.3wt％。
在一实施方案中，该聚合物材料的延伸率小于或等于约2％。在一实施方案中，该聚合物材料的延伸率小于或等于约5％。在另一实施方案中，该聚合物材料的延伸率小于或等于约10％。在另一实施方案中，该聚合物材料的延伸率小于或等于约50％。在又另一实施方案中，该聚合物材料的延伸率小于或等于约100％。
在本发明实施方案中，介电层包括纳米复合物材料，其包括聚合物材料和分散在聚合物材料中的无机的铁电或反铁电粒子。聚合物材料为粒子提供基体。
无机的反铁电粒子在提供活性场的情况下可以转换成铁电粒子。在一实施方案中，该活性场可包括偏置的电场。在另一实施方案中，该活性场包括在热能源例如加热炉存在下施加的偏置的电场。因此，反铁电粒子为场可调的(fieldtunable)、非线性介电粒子，当暴露在偏置的电场中时，该介电粒子可经历从低介电态(反铁电态)到高介电态(铁电态)的相变。反铁电粒子的这些优点允许介电层场可调。场可调的介电层有利的具有介电性能，其介电性能根据其被应用的需求适当调节。
铁电效应是一种电现象，某些离子晶体可借以显示出自发式偶极矩。主要包括两种形式的铁电体，位移型(displacive)和有序-无序型。例如，钛酸钡(BT)和钛酸锶(ST)的效应属于位移型，其取决于极化作用灾变(polarizationcatastrophe)，其中，如果一个离子稍微偏离了平衡，由于晶体中的离子，本地电场的力比弹性恢复力更加快速的增加。这导致平衡离子的位置非对称漂移，并由此导致永久性偶极矩。在有序-无序铁电体中，每一个单位晶胞都具有偶极矩，在高温时，它们指向随机的方向。当降低温度时并通过相变，一定晶域中的偶极子排序全部指向同一方向。
在铁电材料中发生上述排序的结果是这些材料具有大于或等于约1000的高介电常数。当粒子暴露于增加的电场时，铁电粒子的介电常数可能降低。在反铁电相变时，单个偶极子变得不平行于相邻的偶极子，而导致净自发式极化作用为零。这种反铁电态的材料通常具有约100-约1000的低介电常数。铁电和反铁电粒子都可以纳米或微米级的粒子的形式存在。纳米粒子的介电常数适当高于聚合物材料的介电常数。这将允许更高的电场贯入纳米粒子，使得纳米复合介电层具有更高的介电常数。
如上所述，当施加电场的时候，反铁电粒子本质上经历一场由反铁电到铁电的相变。当提供小于或等于约100kV/mm的电场时，分散在聚合物材料中的反铁电粒子能被触发而经历从反铁电态到铁电态的相变。因此，相比于不含反铁电粒子的聚合物材料，聚合物纳米复合材料的介电常数增加了大于或等于约300％。
反铁电粒子可有利地分散到聚合物材料中用以提高介电层的介电常数。相比于不含反铁电粒子的聚合物材料，很好分散在聚合物材料中的粒子具有改进的性能。改进的性能包括更高的介电常数、更高的能量密度、好的击穿强度、耐电晕性、改进的冲击强度和机械硬度、以及热稳定性。
反铁电粒子在掺入介电层之前通常处于反铁电和铁电态之间。通常期望处于反铁电态的反铁电粒子的介电常数与聚合物材料的介电常数尽量接近。在一实施方案中，反铁电粒子(处于反铁电态)的介电常数值是聚合物材料的介电常数值的10％以内。在另一实施方案中，反铁电粒子(处于反铁电态)的介电常数值是聚合物材料的介电常数值的50％以内。在另一实施方案中，反铁电粒子(处于反铁电态)的介电常数值是聚合物材料的介电常数值的100％以内。在另一实施方案中，反铁电粒子(处于反铁电态)的介电常数值是聚合物材料的介电常数值的500％以内。这些反铁电粒子的实例源自钙钛矿。
在一实施方案中，反铁电粒子具有式(I)，Pb(M1，M2，M3...)O3(I)，其中M1、M2、M3为过渡金属或稀土金属。过渡金属的例子是出现在元素周期表第3d、4d和5d族的元素，例如钪、铁、钛、铬、锆等、或包括前面所述的过渡金属的至少一种的组合。稀土金属的例子是镧、铈、钕、钆、钐等、或包括前面所述的稀土金属的至少一种的组合。
铁电或反铁电粒子的例子包括如式(II)所示的锆钛酸铅(PZT)，Pb(ZrxTi1-x)O3(III)，其中x为小于或等于约1。在一实施方案中，x的值可为约0.3到约1。在另一实施方案中，x的值可为约0.6到约1。在另一实施方案中，x的值可为约0.9到约1。PZT反铁电粒子以跨越宽的组成空间的固溶体的形式存在并由此具有宽的介电性能。PZT的相界和电性能也能够通过掺杂进一步改性。例如，La3+取代Pb2+可得到可转变为反铁电粒子的介电常数高达7000的铁电粒子。PZT和PZT衍生物的例子包括PbHfO3、PbZrO3、改性的Pb(ZrTi)O3、PbLa(ZrSnTi)O3、PbNb(ZrSnTi)O3等、或包括前面所述的反铁电粒子的至少一种的组合。反铁电粒子的一个例子是锆酸铅(PbZrO3)。
反铁电粒子的另一个例子是包括如式(III)所示的锆钛酸铅镧(PLZT)，Pb1-xLax(ZryTi1-y)1-x/4O3(III)，其中x、y的值各自可高达1，x、y彼此独立。在一实施方案中，x的值可为约0.1到约0.3，而y的值可为约0.8至约1。
反铁电粒子的另一个例子是包括如式(IV)所示的铌酸铅钪(PSN)或如式(V)所示的钽酸铅钪(PST)，PbScxNb1-yO3(IV)，PbScxTa1-xO3(V)。
其他反铁电粒子为PbSc1/2Nb1/2O3--PbLu1/2Nb1/2O3、SrTiO3--PbZrO3、钛铌酸铝钪(PSNT)和钛铌酸铅镥(PluNT)。
在另一实施方案中，反铁电粒子是无铅的。反铁电粒子的例子包括NaNbO3、(K，Na)(Nb，Ta)O3、KNbO3、BaZrO3、Na0.25K0.25Bi0.5TiO3、Ag(Ta，Nb)O3和Na0.5Bi0.5TiO3--K0.5Bi0.5TiO3--BaTiO3、(Bi1-xSmx)FeO3，其中x、y的值各自高达1，x、y彼此独立，或包括前面所述的无铅的反铁电粒子的至少一种的组合。
如上所述，当遭受电偏置场时，该粒子经历从低介电常数(反铁电态)到高介电常数(铁电态)的相变。在一实施方案中，当遭受大于或等于约4千伏/毫米(kV/mm)的电偏置场时，反铁电粒子可经历从反铁电态(低介电常数)到铁电态(高介电常数)的相变。在另一实施方案中，当遭受大于或等于约60千伏/毫米(kV/mm)的电偏置场时，反铁电粒子可经历从反铁电态(低介电常数)到铁电态(高介电常数)的相变。在另一实施方案中，当遭受大于或等于约200千伏/毫米(kV/mm)的电偏置场时，反铁电粒子可经历从反铁电态(低介电常数)到铁电态(高介电常数)的相变。
在一实施方案中，相变时介电层的介电常数增加了大于或等于50％。在另一实施方案中，相变时介电层的介电常数增加了大于或等于100％。在另一实施方案中，相变时介电层的介电常数增加了大于或等于500％。
如上所述，铁电和反铁电粒子的粒径大小可为纳米级(10-9米级)或微米级(10-6米级)。在一实施方案中，铁电或反铁电粒子的粒径大小为约5纳米到约10微米。在另一实施方案中，铁电或反铁电粒子的粒径大小为约10纳米到约1微米。在另一实施方案中，铁电或反铁电粒子的粒径大小为约20纳米到约500纳米。在另一实施方案中，铁电或反铁电粒子的粒径大小为约40纳米到约200纳米。
在一实施方案中，粒子被表面处理以促进和聚合物材料结合。在一实施方案中，表面处理包括在粒子上包覆硅烷偶联剂，或者如果需要的话，可用膦酸来表面处理粒子。合适的硅偶联剂例子包括四甲基氯代硅烷、六二亚甲基二硅氮烷(hexadimethylenedisilazane)、γ-氨基丙氧基硅烷等、或包括前面所述的硅烷偶联剂的至少一种的组合。硅烷偶联剂通常加强铁电或反铁电粒子和聚合物材料的亲和性，而膦酸增强铁电或反铁电粒子和偶联剂的强结合的形成。这些功能性添加剂能够改善铁电或反铁电粒子在聚合物材料中的分散性。
如上所述，铁电或反铁电粒子具有至少一维在纳米或微米级。通常期望铁电或反铁电粒子具有的平均最大尺寸小于或等于约10微米。该尺寸可以是直径、表面的边缘、长度等。铁电或反铁电粒子可具有由整数限定维数的形状，例如，铁电或反铁电粒子的外形为1、2或3-维。它们也可以具有不由整数限定维数的形状(例如，它们可以为不规则碎片形的形式)。铁电或反铁电粒子可以为球状、片状、纤维状、须状等形式、或包括至少一种前述形状的组合。铁电或反铁电粒子的横截面几何形状可为圆形、椭圆形、三角形、矩形、多边形、或包括至少一种前述几何形状的组合。商业上可获得的铁电或反铁电粒子在掺入到聚合物材料之前或甚至掺入到聚合物材料之后的形式为集合体(aggregate)或团块(agglomerate)。一个集合体包括相互直接接触的大于一个的粒子，而一个团块包括相互直接接触的大于一个的团聚体。
不管铁电或反铁电粒子的精确尺寸、形状和组成，当需要的时候，分散在聚合物材料中的铁电或反铁电粒子可占介电层总重量的约0.1-约85wt％。在一实施方案中，铁电或反铁电粒子占介电层总重量的重量百分比为大于或等于约1wt％。在另一实施方案中，铁电或反铁电粒子占介电层总重量的重量百分比为大于或等于约10wt％。在另一实施方案中，铁电或反铁电粒子占介电层总重量的重量百分比为大于或等于约30wt％。在一实施方案中，铁电或反铁电粒子占介电层总重量的重量百分比为小于或等于约85wt％。在另一实施方案中，铁电或反铁电粒子占介电层总重量的重量百分比为小于或等于约70wt％。在另一实施方案中，铁电或反铁电粒子占介电层总重量的重量百分比为小于或等于约60wt％。
聚合物材料和铁电或反铁电粒子以及任何其它任选需要的有机填料可以通过几种不同的方法结合，例如但限于，混合(compounding)、熔体混合(meltblending)、溶液混合(solution blending)等、或包括至少一种前述方法的组合。这些组分的熔融共混法涉及剪切力、拉伸力、压缩力、超声波能、电磁能、热能或者包括前述至少一种力或能量形式的组合，所述方法在加工设备中实施，其中通过单螺杆、多螺杆、啮合同向双螺杆或异向双螺杆、非啮合同向双螺杆或异向双螺杆、往复式螺杆、具有销钉的螺杆、具有销钉的机筒、轧棍、锤头、螺旋转子、或包括前述至少一种的组合施加前述的力。
涉及前述力的熔体混合可在以下机器中实施，例如但不限于单螺杆或多螺杆挤出机、连续混炼机(Buss kneader)、亨舍尔混合机(Henschel)、螺旋形极化天线(helicones)、Ross混合机、Banbury、辊轧机、模塑机器例如注模机、真空成型机、吹塑成型机等，或包括至少一种上述机器的组合。在组合物的熔体或溶液混合期间最好给予该组合物大约0.01到约10千瓦小时/千克(kwhr/kg)的特定能量。在这个范围内，通常需要大于或等于约0.05，优选大于或等于约0.08，更优选大于或等于约0.09kwhr/kg的特定能量来混合该组合物。小于或等于约9，优选小于或等于约8，更优选小于或等于约7kwhr/kg的特定能量来混合该组合物也是期望的。
在掺入到聚合物材料之前，粒子可以是反铁电态或铁电态。通常，期望在适用于特定领域之前粒子处于反铁电态更合适。如上所述，小于或等于约100kV/mm的偏置电场通常用于改变加入聚合物中的反铁电粒子的状态(从反铁电态到铁电态)。该偏置电场可伴随着对样品的加热。在提供偏置电场期间，热可通过对流、传导或辐射的方式提供给样品。
在一实施方案中，聚合物材料是粉末状、球状、片状等，可首先与铁电或反铁电粒子以及据需要其它任选的填料在亨舍尔混合机(Henschel)或辊轧机中干法混合，然后再给料到熔体混合设备例如挤出机或连续混炼机。在另一实施方案中，铁电或反铁电粒子以母料的形式送入到熔体混合设备中。在这个过程中，母料可被送入到聚合物材料下游的熔体混合设备。
当使用母料时，母料中的铁电或反铁电粒子占母料总重量的约10-约85wt％。在一实施方案中，铁电或反铁电粒子占母料总重量的的重量百分比为大于或等于约30wt％。在另一实施方案中，铁电或反铁电粒子占母料总重量的重量百分比为大于或等于约40wt％。在另一实施方案中，铁电或反铁电粒子占母料总重量的重量百分比为大于或等于约45wt％。在一实施方案中，铁电或反铁电粒子占母料总重量的重量百分比为小于或等于约85wt％。在另一实施方案中，铁电或反铁电粒子占母料总重量的重量百分比为小于或等于约75wt％。在另一实施方案中，铁电或反铁电粒子占母料总重量的重量百分比为小于或等于约65wt％。
包括聚合物材料、任选的有机填料和铁电或反铁电粒子的该组合物可经过多级混合和成型步骤(如果需要)以形成介电层。例如，组合物可首先被挤出并形成为球丸。球丸被送至模塑机，可形成其它期望的形状。可替换的，从单一的熔体混合机发射出来的组合物可形成为片状或线状，并经过后挤出工序，例如退火、单轴或双轴定向。
溶液混合也被用于制备组合物。溶液混合也可利用附加能量例如剪切、压缩、超声振动等促进聚合物材料和粒子的均匀性。在一实施方案中，悬浮在流体(例如溶剂)中的聚合物材料可与铁电或反铁电粒子同时导入超声波发生器中。可通过先将混合物进行砂磨(bead milling)，然后进行足以打碎铁电或反铁电粒子或将其分散在聚合物材料和流体中的时间的超声处理而对混合物进行溶液混合。如果需要的话，接着聚合物材料和铁电或反铁电粒子可一起被干燥、挤出和模塑成型。在超声工艺期间，通常期望流体使聚合物材料膨胀。溶液混合工序期间，聚合物材料膨胀通常能改善聚合物材料浸渍铁电或反铁电粒子的能力，因而改善分散性。
在另一实施方案中涉及溶液混合，铁电或反铁电粒子和聚合物材料前体一起超声处理。聚合物材料前体通常是能够反应生成聚合物材料的单体、二聚物、三聚物等。流体例如溶剂可任选的和铁电或反铁电粒子以及聚合物前体一起导入超声波发生器中。通常超声处理足够长的时间以有效促使聚合物前体包裹铁电或反铁电粒子。包裹之后，聚合物前体随后聚合以形成其中分散有铁电或反铁电粒子的组合物。
可用于促进包裹和分散方法的单体的合适例子是那些用于合成聚合物的单体，聚合物例如但不限于，聚缩醛、聚丙烯酸类、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚酯、聚酰胺、聚酰胺酰亚胺、多芳基化合物、聚氨酯、聚芳基砜、聚醚砜、聚芳硫醚(polyarylene sulfides)，聚氯乙烯、聚砜、聚醚酰亚胺、聚四氟乙烯、聚醚酮、聚醚醚酮等、或包括至少一种前述物质的组合。在一实施方案中，聚合物前体、流体和/或粒子的混合物被超声处理了约1分钟至约24小时。在另一实施方案中，混合物被超声处理了大于或等于约5分钟。在另一实施方案中，混合物被超声处理了大于或等于约10分钟。在另一实施方案中，混合物被超声处理了大于或等于约15分钟。在一实施方案中，混合物被超声处理了小于或等于约15小时。在另一实施方案中，混合物被超声处理了小于或等于约10小时。在另一实施方案中，混合物被超声处理了小于或等于约5小时。
在组合物的溶液混合中可任选使用溶剂。溶剂可被用作粘度调节剂，或为了促进分散和/或悬浮粒子。可以采用液态质子惰性极性溶剂例如碳酸异丙烯酯、碳酸亚乙酯、丁内酯、乙腈、苯基腈、硝基甲烷、硝基苯、环丁砜、二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮(NMP)等、或包括至少一种前述溶剂的组合。可使用极性质子溶剂例如水、甲醇、乙腈、硝基甲烷、乙醇、丙醇、异丙醇、丁醇等、或包括至少一种前述极性质子溶剂的组合。如果需要，也可以用其它非极性溶剂例如苯、甲苯、二氯甲烷、四氯化碳、己烷、二乙醚、四氢呋喃等、或包括至少一种前述非极性溶剂的组合。也可以采用包括至少一种质子惰性极性溶剂和至少一种非极性溶剂的共溶剂。在一实施方案中，溶剂为二甲苯或n-甲基吡咯烷酮。
如果使用了溶剂，则溶剂的重量百分比可占组合物总重量的约1-约90wt％。在一实施方案中，如果使用了溶剂，则溶剂的重量百分比可占组合物总重量的约2-约50wt％。在另一实施方案中，如果使用了溶剂，则溶剂的重量百分比可占组合物总重量的约3-约30wt％。在另一实施方案中，如果使用了溶剂，则溶剂的重量百分比占组合物总重量的约5-约20wt％。通常期望在混合组合物之前、期间和/或之后蒸发该溶剂。
溶液混合之后，包括期望组合物的溶液可以被浇铸、旋转浇铸(spin cast)、浸渍涂覆、喷涂、刷涂和/或静电喷涂在期望的基质上，例如电极层。溶液随后被干燥而留下介电层在基质表面。在另一实施方案中，包括期望组合物的溶液可以通过旋涂、挤压成型、注模成型或吹塑成型而形成介电层。
混合可以通过不同的次级物质来辅助，例如分散剂、粘结剂、改性剂、去垢剂和添加剂。添加次级物质也可以增强组合物的一种至多种特性。混合也可以通过在粒子上包覆一聚合物材料薄层或包覆与聚合物材料兼容的相，例如，硅烷层或膦酸层来辅助。
在一实施方案中，为了使铁电或反铁电粒子定向，将包括聚合物材料、具有随机方向和定位的铁电或反铁电粒子的组合物放置在电场中。当组合物处于熔融态或溶液时可施加电场。电场的存在可导致固化作用。承受电场时，铁电或反铁电粒子可被重新排列为优选的方向。在一实施方案中，可用电场将这些粒子校准到柱状结构以得到更高的介电常数。
相比于只包含聚合物材料的介电层，处于低介电常数态的包含聚合物材料和反铁电粒子的介电层具有优势。在一实施方案中，该介电层的介电常数至少比只包括聚合物材料的介电层高10％。在另一实施方案中，该介电层的介电常数至少比只包括聚合物材料的介电层高50％。在另一实施方案中，该介电层的介电常数至少比只包括聚合物材料的介电层高100％。
提供电场使得反铁电粒子转变为铁电粒子之后，该介电层的介电常数可至少比只包括聚合物材料的介电层高200％。在一实施方案中，变相后，该介电层的介电常数至少比只包括聚合物材料的介电层高300％。在另一实施方案中，变相后，该介电层的介电常数至少比只包括聚合物材料的介电层高400％。在另一实施方案中，变相后，该介电层的介电常数至少比只包括聚合物材料的介电层高500％。
包含纳米粒子的介电层也可以是光学透明的。在一实施方案中，介电层的可见光的透射率为大于或等于约70％。在另一实施方案中，介电层的可见光的透射率为大于或等于约80％。在另一实施方案中，介电层的可见光的透射率为大于或等于约90％。在另一实施方案中，介电层的可见光的透射率为大于或等于约95％。在另一实施方案中，模塑成型后的介电层还具有A级表面抛光度。模塑成型产品可以通过注模成型、吹塑成型、压模成型等、或包括上述至少一种的组合来制造。
在一实施方案中，介电层具有耐电晕性，它能够抵抗约1000伏特到5000伏特的电流持续约200至约2000小时。在另一实施方案中，介电层具有耐电晕性，它能够抵抗约1000伏特到5000伏特的电流持续约250至约1000小时。在另一实施方案中，介电层具有耐电晕性，它能够抵抗约1000伏特到5000伏特的电流持续约500至约900小时。
介电层在约1-约106赫兹(Hz)的频率下测量的介电常数大于或等于约3。在一实施方案中，介电层在约1-约106赫兹(Hz)的频率下测量的介电常数大于或等于约5。在另一实施方案中，介电层在约1-约106赫兹(Hz)的频率下测量的介电常数大于或等于约10。在另一实施方案中，介电层在约1-约106赫兹(Hz)的频率下测量的介电常数大于或等于约20。在另一实施方案中，介电层在约1-约106赫兹(Hz)的频率下测量的介电常数大于或等于约50。
介电层期望具有大于或等于约100℃的玻璃转变或软化点温度。在一实施方案中，介电层具有大于或等于约120℃的玻璃转变或软化点温度。在另一实施方案中，介电层具有大于或等于约150℃的玻璃转变或软化点温度。在另一实施方案中，介电层具有大于或等于约180℃的玻璃转变或软化点温度。在另一实施方案中，介电层具有大于或等于约200℃的玻璃转变或软化点温度。
此外，介电层的损耗因子低于0.02。在一优选实施方案中，介电层的损耗因子低于0.005。
这里所述的电容器具有广阔的应用，例如能量变换、动力调节、和脉冲功率领域。薄膜电容器特别应用于高温环境。这里所述电容器一般具有的操作温度为约-40℃至约200℃。在另一实施方案中，电容器的操作温度为约0℃至约150℃。在另一实施方案中，电容器的操作温度为约20℃至约120℃。
这里所述的所有范围都包含端点，端点可以互相结合。这里用到的名词“第一(首先)”、“第二(其次，然后)”等并不表示任何次序、数量或重要性，而仅仅用于区分各个元件。修饰词“约”和“大约”用于连接数词，它包括状态值和具有由上下文指示的含义(例如包括特定数值的测量的误差范围)。这里用到的名词“一”和“一个”和“该”和本发明上下文类似的指代(特别在接下来的权利要求的上下文中)解释为覆盖单数和复数，明确指出或文中明显矛盾的除外。
虽然本发明详细地列举了许多实施方案，但是本发明并不局限于所述的实施方案。因为本发明能够通过结合许多没有描述的变化、替换、置换或设备的排列而加以改进，但是它们都属于本发明的精神和范畴。此外，由于本发明描述了许多的实施方案，仅仅包括某些所描述的实施方案的本发明的情况是可以理解的。因此，本发明不被之前的描述所限定，而仅仅是由附加的权利要求限定其范围。
部件清单
薄膜电容器10
第一电极层12
基质层14
介电层16
基质层第一表面18
第二电极层22
基质层第二相对表面24
基质层侧面26
多层电容器膜30
第二介电层32
第三电极层34
附加介电层36、38和42
附加电极层44、46合48
终端金属化层52
Claims (10)
1.一种电容器，其包括：
基质层；
设置在该基质层上的第一电极层；和
设置在该电极层上的第一介电层，其中该介电层包括：
延伸率小于或等于约5％的聚合物材料；以及
无机铁电或反铁电粒子。
2.如权利要求1所述的电容器，其中聚合物材料包括纤维素腈基树脂(cellulosic cyanresin)。
3.如权利要求1所述的电容器，其中该基质层包括聚醚酰亚胺、三乙酸纤维素、聚苯砜、聚酯、聚酰亚胺、聚醚醚酮、或它们的组合。
4.如权利要求1所述的电容器，其中聚合物材料的延伸率小于或等于约2％。
5.如权利要求1所述的电容器，其中第一介电层的介电常数大于或等于约3。
6.如权利要求1所述的电容器，还包括：第二电极层，其中第一介电层设置在第一电极层和第二电极层之间。
7.如权利要求6所述的电容器，还包括：第二介电层和第三电极层，其中第二介电层设置在第二电极层和第三电极层之间。
8.如权利要求7所述的电容器，其中该电容器还包括：
顶面，
底面，其中基质层设置为靠近底面；
至少两个侧面；和
设置在侧面的至少一部分上的终端金属化层。
9.如权利要求1所述的电容器，其中基质层包括第一表面和第二表面，其中第一电极层设置在基质层的第一表面，并且其中该电容器还包括：设置在基质层的第二表面上的第二电极层。
10.如权利要求9所述的电容器，其中基质层包括至少两个邻近第一表面和第二表面的侧面，以及其中该电容器还包括：设置在该侧面的至少一部分上的金属化层。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US12/241,136 US9390857B2 (en) | 2008-09-30 | 2008-09-30 | Film capacitor |
| US12/241136 | 2008-09-30 |
Publications (2)
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