CN103319736A

CN103319736A - 一种制造高介电复合薄膜的方法

Info

Publication number: CN103319736A
Application number: CN2013102465140A
Authority: CN
Inventors: 徐建华; 张辉; 杨文耀; 李金龙; 张鲁宁; 杨亚杰
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2013-06-20
Filing date: 2013-06-20
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2033-06-20
Also published as: CN103319736B

Abstract

本发明实施例公开了一种制造高介电复合薄膜的方法，包括：将微米钛酸钡、纳米钛酸锶和聚偏氟乙烯粉末均匀混合；将混合材料粉末溶于有机溶剂中；将有机混合溶液在室温下真空静置脱泡；将有机混合溶液在基板上流延刮膜形成平板膜；加热平板膜使有机溶剂挥发，获得聚偏氟乙烯-钛酸钡-钛酸锶复合薄膜。通过本发明的实施例中的方法，可将纳米粒径的钛酸锶粒子填充入微米粒径的钛酸钡粒子之间的空隙之中，可以使钛酸钡粒子的堆积更加的紧密，从而可以较大的提高获得的复合薄膜的介电常数并降低损耗。

Description

一种制造高介电复合薄膜的方法

技术领域

本发明涉及电子功能材料技术领域，尤其是涉及一种制造高介电复合薄膜的方法。

背景技术

近年来，随着电子技术的高速发展，具有高介电常数的电介质材料无论是在电气材料、储能器件、电力工程，还是在微电子行业都发挥着不可替代的重要作用。但是，现有的作为薄膜电容器的主要材料的聚合物介电薄膜，虽然具有柔性好、重量轻、耐高压、耐冲击等优点，但是其本身的介电常数较低，限制了它的应用。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种制造既具有高介电常数、也具有低损耗性能的高介电复合薄膜的方法。

本发明公开的技术方案包括：

提供了一种制造高介电复合薄膜的方法，其特征在于，包括：将微米钛酸钡、纳米钛酸锶和聚偏氟乙烯粉末均匀混合，获得混合材料粉末；将所述混合材料粉末溶于有机溶剂中，获得有机混合溶液；将所述有机混合溶液在室温下真空静置脱泡；将所述有机混合溶液在基板上流延刮膜，获得平板膜；加热所述平板膜使所述有机溶剂从所述平板膜中挥发，获得聚偏氟乙烯-钛酸钡-钛酸锶复合薄膜。

进一步地，其中所述将微米钛酸钡、纳米钛酸锶和聚偏氟乙烯粉末均匀混合包括：将所述微米钛酸钡与所述纳米钛酸锶按照重量比10:1至4:1的比例球磨混合均匀，获得第一混合粉末；将所述聚偏氟乙烯粉末与所述第一混合粉末按照重量比5:1至2:1的比例球磨混合均匀，获得所述混合材料粉末。

进一步地，其中所述将所述混合材料粉末溶于有机溶剂中包括：将所述混合材料粉末加入到所述有机溶剂中，在超声下搅拌直至所述聚偏氟乙烯粉末完全溶解；其中所述有机溶剂为所述聚偏氟乙烯粉末的重量的4至8倍。

进一步地，所述有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、氯仿、四氢呋喃、N-甲基吡咯烷酮、磷酸三乙酯或者四甲基脲。

进一步地，其中所述将所述有机混合溶液在室温下真空静置脱泡包括：将所述有机混合溶液在室温下真空静置脱泡2至3小时。

进一步地，所述平板膜的厚度为100至150微米。

进一步地，其中所述加热所述平板膜使所述有机溶剂从所述平板膜中挥发包括：将所述平板膜置于真空干燥箱中；加热所述真空干燥箱使所述真空干燥箱的温度到达预定温度；使所述真空干燥箱在所述预定温度保持恒温8至12小时。

进一步地，所述预定温度为60至80摄氏度。

进一步地，所述基板为玻璃板。

本发明的实施例中，针对传统介电材料不能同时具备高介电性能、低损耗、优异的力学性能和加工性能的问题，提出了基于聚偏氟乙烯和钛酸钡、钛酸锶的复合介电材料的制造方法，通过本发明的实施例中的方法，可将纳米粒径的钛酸锶粒子填充入微米粒径的钛酸钡粒子之间的空隙之中，可以使钛酸钡粒子的堆积更加的紧密，从而可以较大的提高获得的复合薄膜的介电常数并降低损耗。该方法制造出的聚偏氟乙烯/钛酸钡/钛酸锶三相复合薄膜具有高介电常数值，低的介电损耗值，且保存了优异的力学性能和加工性能，同时该制造方法还具有原材料成本低，制造工艺易于掌握等特点。

附图说明

图1是本发明一个实施例的制造高介电复合薄膜的方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图详细说明本发明的实施例的制造高介电复合薄膜的方法的具体步骤。

如图1所示，本发明的实施例中，一种制造高介电复合薄膜的方法包括步骤10、步骤12、步骤14、步骤16和步骤18。下面参考本发明的实施例对各个步骤进行详细说明。

步骤10：混合微米钛酸钡、纳米钛酸锶和聚偏氟乙烯粉末。

本发明的实施例中，可以首先将微米钛酸钡、纳米钛酸锶和聚偏氟乙烯粉末均匀混合，获得混合材料粉末。

本发明的实施例中，这里的“微米钛酸钡”是指粒子尺寸为微米级别的尺寸的钛酸钡，“纳米钛酸锶”是指粒子尺寸为纳米级别的尺寸的钛酸锶。

本发明的实施例中，可以使用任何适合的方法将聚偏氟乙烯和聚噻吩均匀混合。例如，一个实施例中，可以使用球磨设备，即将微米钛酸钡、纳米钛酸锶和聚偏氟乙烯粉末加入球磨设备中，用球磨设备将加入的微米钛酸钡、纳米钛酸锶和聚偏氟乙烯粉末球磨混合，得到混合材料粉末。其中，用球磨设备球磨混合聚偏氟乙烯和聚噻吩的时间可以根据实际情况的需要而定。

本发明的实施例中，加入的微米钛酸钡、纳米钛酸锶和聚偏氟乙烯粉末的量相互之间可以具有一定的比例。例如，微米钛酸钡和纳米钛酸锶的重量比可以是10:1至4:1，而聚偏氟乙烯粉末与微米钛酸钡和纳米钛酸锶的和的重量比可以是5:1至2:1。

因此，例如，一个实施例中，将微米钛酸钡、纳米钛酸锶和聚偏氟乙烯粉末均匀混合可以包括：

将微米钛酸钡与纳米钛酸锶按照重量比10:1至4:1的比例球磨混合均匀，获得第一混合粉末；

将聚偏氟乙烯粉末与该第一混合粉末按照重量比5:1至2:1的比例球磨混合均匀，获得前述的混合材料粉末。

经过上述的处理，微米钛酸钡、纳米钛酸锶和聚偏氟乙烯粉末被均匀地混合。

步骤12：将混合材料粉末溶于有机溶剂中。

获得了混合材料粉末之后，在步骤12中，将该混合材料粉末溶于有机溶剂中，获得有机混合溶液。

本发明的实施例中，这里使用的有机溶剂可以是具有挥发性并且聚偏氟乙烯可以溶于其中的有机溶剂。例如，一个实施例中，这里的有机溶剂可以是N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、氯仿、四氢呋喃、N-甲基吡咯烷酮、磷酸三乙酯或者四甲基脲。

本发明的实施例中，可以将该混合材料粉末加入该有机溶剂中并在超声下搅拌，直至其中的聚偏氟乙烯粉末完全溶解，同时，钛酸钡和钛酸锶充分分散于溶液中。其中，这里使用的有机溶剂的重量为步骤10中的聚偏氟乙烯粉末的重量的4至8倍。

本发明的实施例中，这里所说的“在超声下搅拌”是指用超声波照射溶液同时进行搅拌，以促进混合材料粉末的溶解。

步骤14：将有机混合溶液真空静置脱泡。

获得了有机混合溶液之后，在步骤14中，将该有机混合溶液在室温下真空静置脱泡，使有机混合溶液中的气泡从有机混合溶液中脱离。

例如，一个实施例中，将有机混合溶液在室温下真空静置脱泡的具体过程可以包括：将有机混合溶液在室温下真空静置 2至3小时。

经过这样的处理，有机混合溶液中的气泡被排出，以避免这些气泡在后续步骤中影响所需要的介电复合薄膜的形成。

步骤16：将有机混合溶液在玻璃板上流延刮膜，获得平板膜。

有机混合溶液经过步骤14的真空静置脱泡处理之后，在步骤16中，将该有机混合溶液在基板上流延刮膜，从而形成平板膜。

本发明的实施例中，这里的流延刮膜可以是指通过将有机混合溶液缓慢倒在表面光滑水平的被加热了的基板（例如玻璃板）上，使溶液自然流平，然后用刮刀刮平以调整厚度和表面平整度，以形成平板膜的技术。例如，一个实施例中，流延刮膜的步骤可以包括：

将玻璃板放置于加热板上，使玻璃板高于室温10摄氏度；

调平玻璃板，使玻璃板水平；

取一定量有机混合溶液（本发明的实施例中，前述步骤中获得的有机混合溶液较为粘稠），缓慢倒在玻璃板上，使溶液自然流平，并使用专用刮刀（调整厚度和表面平整度）刮平；

待溶剂挥发一小部分，薄膜不会在随意流动后，即获得平板膜，可进行后续的处理。

本发明的实施例中，流延刮膜获得平板膜的过程也可以通过流延机实现，通过流延机流延刮膜获得平板膜的具体方法或者步骤是本领域技术人员所熟知的，在此不再详述。

本发明的实施例中，这里的基板可以是任何适合的表面光滑、水平的基板，例如，一个实施例中，这里的基板可以是玻璃板。

本发明的实施例中，步骤16中形成的平板膜的厚度可以为100至150微米。

步骤18：加热平板膜使有机溶剂挥发。

获得了平板膜之后，加热该平板膜，使得该平板膜中的有机溶剂从该平板膜中挥发。这样，有机溶剂挥发之后，留下的即为所需要的聚偏氟乙烯-钛酸钡-钛酸锶复合薄膜。

例如，本发明的一个实施例中，加热平板膜使有机溶剂从平板膜中挥发可以包括：

将平板膜置于真空干燥箱中；

加热该真空干燥箱，使真空干燥箱的温度到达预定温度；

到达该预定温度之后，使该真空干燥箱在该预定温度处保持恒温8至12小时。

这里，该“预定温度”可以为60至80摄氏度。

经过步骤18的处理，即获得了所需要的聚偏氟乙烯-钛酸钡-钛酸锶复合薄膜。

本发明的实施例中的方法中，使用了纳米钛酸锶和微米钛酸钡，经过本发明的方法的处理，可将纳米粒径的钛酸锶粒子填充入微米粒径的钛酸钡粒子之间的空隙之中，这样，可以使钛酸钡粒子的堆积更加的紧密，从而可以较大的提高获得的复合材料的介电常数并降低损耗。这样制造出的聚偏氟乙烯-钛酸钡-钛酸锶三相复合薄膜具有高介电常数值、低的介电损耗值，且保存了优异的力学性能和加工性能。

下面具体说明本发明的方法的几个具体实例。

实例一：

（1）称取微米钛酸钡2g，纳米钛酸锶0.5g，球磨混合2h，得到纳米混合粉末A1；

（2）称取聚偏氟乙烯粉末2.5g，与上述的2.5g纳米混合粉末A1球磨混合2h，得到混合材料粉末B1；

（3）混合材料粉末B1加入到15ml的N,N-二甲基甲酰胺（DMF）中,超声下充分搅拌3h，至聚偏氟乙烯粉末完全溶解, 得到粘性较大的有机混合溶液C1；

（4）将有机混合溶液C1在室温下真空静置脱泡3小时，得到无气泡混合溶液D1；

（5）将无气泡混合溶液D1在玻璃板上流延刮膜，制成厚度约为 150μm的平板膜E1；

（6）将平板膜E1在60℃真空祛除溶剂8h，待膜自动脱落后，即得到前述的聚偏氟乙烯-钛酸钡-钛酸锶三相复合薄膜。

经过测试，获得的聚偏氟乙烯-钛酸钡-钛酸锶三相复合薄膜的复合薄膜介电常数为15.2，损耗0.28。

实例二：

（1）称取微米钛酸钡2g，纳米钛酸锶0.5g，球磨混合2h，得到纳米混合粉末A2；

（2）称取聚偏氟乙烯粉末12.5g，与上述的2.5g纳米混合粉末A2球磨混合3h，得到混合材料粉末B2；

（3）混合材料粉末B2加入到75ml的N,N-二甲基甲酰胺（DMF）中,超声下充分搅拌4h，至聚偏氟乙烯粉末完全溶解, 得到粘性较大的有机混合溶液C2；

（4）将有机混合溶液C2在室温下真空静置脱泡5小时，得到无气泡混合溶液D2；

（5）将无气泡混合溶液D2在玻璃板上流延刮膜，制成厚度约为 150μm的平板膜E2；

（6）将平板膜E2在60℃真空祛除溶剂8h，待膜自动脱落后，即可得到前述的聚偏氟乙烯-钛酸钡-钛酸锶三相复合薄膜。

经过测试，获得的聚偏氟乙烯-钛酸钡-钛酸锶三相复合薄膜的复合薄膜介电常数为11.7，损耗0.19。

实例三：

（1）称取微米钛酸钡5g，纳米钛酸锶0.5g，球磨混合2h，得到纳米混合粉末A3；

（2）称取聚偏氟乙烯粉末5.5g，与上述的5.5g纳米混合粉末A3球磨混合4h，得到混合材料粉末B3；

（3）混合材料粉末B3加入到33ml的N,N-二甲基甲酰胺（DMF）中,超声下充分搅拌3h，至聚偏氟乙烯粉末完全溶解, 得到粘性较大的有机混合溶液C3；

（4）将有机混合溶液C3在室温下真空静置脱泡3小时，得到无气泡混合溶液D,3；

（5）将无气泡混合溶液D3在玻璃板上流延刮膜，制成厚度约为 150μm的平板膜E3；

（6）将平板膜E3在60℃真空祛除溶剂24h，待膜自动脱落后,即可得到所需的聚偏氟乙烯-钛酸钡-钛酸锶三相复合薄膜。

经过测试，得到的聚偏氟乙烯-钛酸钡-钛酸锶三相复合薄膜的复合薄膜介电常数为11.4，损耗0.22。

实例四：

（1）称取微米钛酸钡5g，纳米钛酸锶0.5g，球磨混合2h，得到纳米混合粉末A4；

（2）称取聚偏氟乙烯粉末27.5g，与上述的5.5g纳米混合粉末A4球磨混合3h，得到混合材料粉末B4；

（3）混合材料粉末B4加入到150ml的N,N-二甲基甲酰胺（DMF）中,超声下充分搅拌3h，至聚偏氟乙烯粉末完全溶解, 得到粘性较大的有机混合溶液C4；

（4）将有机混合溶液C4在室温下真空静置脱泡3小时，得到无气泡混合溶液D4；

（5）将无气泡混合溶液D4在玻璃板上流延刮膜，制成厚度约为 150μm的平板膜E4；

（6）将平板膜E4在60℃真空祛除溶剂24h，待膜自动脱落后,即可得到所需的聚偏氟乙烯-钛酸钡-钛酸锶三相复合薄膜。

经过测试，得到的聚偏氟乙烯-钛酸钡-钛酸锶三相复合薄膜的复合薄膜介电常数为10.2，损耗0.18。

上文中描述了本发明的一些示例性的实施例，其中，在上文中的描述中，当描述某个参数（例如，物质的比例、处理时间、温度等等）是某个范围时，意思是指该参数可以取该范围中的某个值，并且该范围包括文中描述的端点的值。

以上通过具体的实施例对本发明进行了说明，但本发明并不限于这些具体的实施例。本领域技术人员应该明白，还可以对本发明做各种修改、等同替换、变化等等，这些变换只要未背离本发明的精神，都应在本发明的保护范围之内。此外，以上多处所述的“一个实施例”表示不同的实施例，当然也可以将其全部或部分结合在一个实施例中。

Claims

1.一种制造高介电复合薄膜的方法，其特征在于，包括：

将微米钛酸钡、纳米钛酸锶和聚偏氟乙烯粉末均匀混合，获得混合材料粉末；

将所述混合材料粉末溶于有机溶剂中，获得有机混合溶液；

将所述有机混合溶液在室温下真空静置脱泡；

将所述有机混合溶液在基板上流延刮膜，获得平板膜；

加热所述平板膜使所述有机溶剂从所述平板膜中挥发，获得聚偏氟乙烯-钛酸钡-钛酸锶复合薄膜。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述将微米钛酸钡、纳米钛酸锶和聚偏氟乙烯粉末均匀混合包括：

将所述微米钛酸钡与所述纳米钛酸锶按照重量比10:1至4:1的比例球磨混合均匀，获得第一混合粉末；

将所述聚偏氟乙烯粉末与所述第一混合粉末按照重量比5:1至2:1的比例球磨混合均匀，获得所述混合材料粉末。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述将所述混合材料粉末溶于有机溶剂中包括：将所述混合材料粉末加入到所述有机溶剂中，在超声下搅拌直至所述聚偏氟乙烯粉末完全溶解；其中所述有机溶剂为所述聚偏氟乙烯粉末的重量的4至8倍。

4.如权利要求1至3中任意一项所述的方法，其特征在于：所述有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、氯仿、四氢呋喃、N-甲基吡咯烷酮、磷酸三乙酯或者四甲基脲。

5.如权利要求1至4中任意一项所述的方法，其特征在于，其中所述将所述有机混合溶液在室温下真空静置脱泡包括：将所述有机混合溶液在室温下真空静置脱泡2至3小时。

6.如权利要求1至4中任意一项所述的方法，其特征在于：所述平板膜的厚度为100至150微米。

7.如权利要求1至4中任意一项所述的方法，其特征在于，其中所述加热所述平板膜使所述有机溶剂从所述平板膜中挥发包括：

将所述平板膜置于真空干燥箱中；

加热所述真空干燥箱使所述真空干燥箱的温度到达预定温度；

使所述真空干燥箱在所述预定温度保持恒温8至12小时。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：所述预定温度为60至80摄氏度。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述基板为玻璃板。