CN107901303B - 一种三明治结构高储能密度聚合物基介电复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种三明治结构高储能密度聚合物基介电复合材料及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN107901303B
CN107901303B CN201710928412.5A CN201710928412A CN107901303B CN 107901303 B CN107901303 B CN 107901303B CN 201710928412 A CN201710928412 A CN 201710928412A CN 107901303 B CN107901303 B CN 107901303B
Authority
CN
China
Prior art keywords
boron nitride
film
composite material
calcium titanate
copper
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201710928412.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107901303A (zh
Inventor
党智敏
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nantong Hongming Electrician Technology Co ltd
Original Assignee
Nantong Hongming Electrician Technology Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nantong Hongming Electrician Technology Co ltd filed Critical Nantong Hongming Electrician Technology Co ltd
Priority to CN201710928412.5A priority Critical patent/CN107901303B/zh
Publication of CN107901303A publication Critical patent/CN107901303A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107901303B publication Critical patent/CN107901303B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C35/00—Heating, cooling or curing, e.g. crosslinking or vulcanising; Apparatus therefor
    • B29C35/02—Heating or curing, e.g. crosslinking or vulcanizing during moulding, e.g. in a mould
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B27/00—Layered products comprising a layer of synthetic resin
    • B32B27/06—Layered products comprising a layer of synthetic resin as the main or only constituent of a layer, which is next to another layer of the same or of a different material
    • B32B27/08—Layered products comprising a layer of synthetic resin as the main or only constituent of a layer, which is next to another layer of the same or of a different material of synthetic resin
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B27/00—Layered products comprising a layer of synthetic resin
    • B32B27/18—Layered products comprising a layer of synthetic resin characterised by the use of special additives
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B27/00—Layered products comprising a layer of synthetic resin
    • B32B27/30—Layered products comprising a layer of synthetic resin comprising vinyl (co)polymers; comprising acrylic (co)polymers
    • B32B27/304—Layered products comprising a layer of synthetic resin comprising vinyl (co)polymers; comprising acrylic (co)polymers comprising vinyl halide (co)polymers, e.g. PVC, PVDC, PVF, PVDF
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B33/00—Layered products characterised by particular properties or particular surface features, e.g. particular surface coatings; Layered products designed for particular purposes not covered by another single class
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F9/00—Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments
    • D01F9/08—Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments of inorganic material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2262/00—Composition or structural features of fibres which form a fibrous or filamentary layer or are present as additives
    • B32B2262/10—Inorganic fibres
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2307/00—Properties of the layers or laminate
    • B32B2307/20—Properties of the layers or laminate having particular electrical or magnetic properties, e.g. piezoelectric
    • B32B2307/204—Di-electric
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2457/00—Electrical equipment
    • B32B2457/16—Capacitors

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Textile Engineering (AREA)
  • Fixed Capacitors And Capacitor Manufacturing Machines (AREA)
  • Manufacture Of Macromolecular Shaped Articles (AREA)

Abstract

本发明提供了一种使用氮化硼纳米片与钛酸铜钙纳米纤维为功能填料，制备具有三明治结构的高储能密度聚合物基介电复合材料的方法。该方法通过静电纺丝技术或水热法制备钛酸铜钙纳米纤维，通过液相超声剥离得到氮化硼纳米片，然后用溶液分散法或熔融共混法将其均匀分散于聚合物基体中，制成薄膜，继而将钛酸铜钙纤维复合薄膜作为中间介电层，氮化硼复合薄膜置于外侧，进行热压处理，制备得到三明治结构的复合材料。本发明提供的制备方法，通过引入高绝缘性氮化硼作为耐受电压层，大幅提高复合材料的击穿强度，而高介电陶瓷钛酸铜钙的加入，又进一步强化了材料的介电性能，从而整体提高复合材料的储能密度。本发明中所制备的复合材料，主要应用于薄膜电容器中的电介质层，提高薄膜电容器的储能性能。

Description

一种三明治结构高储能密度聚合物基介电复合材料及其制备 方法
技术领域
本申请属于电介质领域，尤其涉及高储能密度电介质材料，这种材料是制备高性能薄膜电容器的关键。
背景技术
在现代社会中，无数的电子设备被应用在生活的方方面面。无论对于便携式的电子产品，或是电动汽车，甚至大型电网系统，一种小型、低成本、高性能的储能器件都是十分必要的。薄膜电容器作为最常用的储能元件，其能够进行快速充放电，可耐受较高电压，具有较高的功率密度，能够循环使用、性能稳定，在电力系统、电子器件领域中扮演着至关重要的角色。高储能密度电介质电容器可应用于混合动力汽车、电磁武器、脉冲供能设备及电磁发射平台等高负载工作环境中。而新技术的发展和应用对提高介电材料储能特性也提出了更高的要求。
薄膜电容器结构简单，主要由电极与电介质层组成，其储能性能主要由电介质层所决定。介电常数与击穿场强是衡量材料储能特性的重要指标，目前，市场上最常见的薄膜电容器，使用双向拉伸聚丙烯(BOPP)作为其电介质层。BOPP具有超高的击穿场强(约为600MV/m)，然而其较低的介电常数(约为2)制约了其总体性能，使得其最终的储能密度仅为1-2J/cm3。而一般的无机陶瓷聚合物复合薄膜，由于填料含量较大，会使材料内部产生过多缺陷，从而无法同时兼顾介电常数与击穿场强，同时，过多的填充无机陶瓷会使成本大幅提高，不利于大规模生产与推广。因此，如何同时提高电介质材料的介电常数与击穿场强，以此来提高整体的储能性能是目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是通过流延热压法制备一种聚合物基介电复合材料，该方法综合考虑了薄膜的介电性能和击穿强度，从而得到较高的储能密度。
本发明的原理是，通过对材料结构的设计，使材料的内外层分别针对不同性能进行提高。外层中通过加入氮化硼纳米片来提高材料整体的击穿强度，内层通过加入钛酸铜钙纳米纤维来改善材料的介电性能。通过三明治型的结构，使得材料的介电性能与击穿强度能够同时提高，进而提高材料的储能密度。
相比于现有方法，本发明的优点在于：其一，使用静电纺丝技术制备钛酸铜钙纳米纤维，方法简单，省时省力，可以连续生产，所得到的纤维均匀性好，长径比高；其二，由于高长径比的钛酸铜钙纳米纤维的填充，使得在低含量下即能使介电性能得到改善；其三，三明治型结构的引入使得单位体积的填料含量降低，有利于减少材料内部的缺陷，并可同时提高材料的介电性能与击穿强度，进而提高储能密度。
具体实施方式：
下面通过具体实施方案来进一步说明制备高储能密度的聚合物基复合材料的技术方案。有必要指出，以下实施例只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的专业技术人员根据本发明的内容作出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
实施例1静电纺丝法制备钛酸铜钙纳米纤维
(1)将硝酸钙、乙酸铜、钛酸四丁酯按照摩尔比1∶3∶4配置成溶液，溶剂为乙酸与乙醇(体积比1∶1)，待搅拌溶解后，加入聚乙烯吡咯烷酮，继续搅拌1小时；
(2)将上述溶液放入注射器中，在推进泵的推动下，进行静电纺丝，其纺丝电压范围19千伏，以铝箔作为接收器；
(3)待纺丝结束后，将纤维从铝箔上揭下放入坩埚中，在空气氛下，使用马弗炉对其进行烧结，烧结温度范围800摄氏度，最终得到钛酸铜钙纳米纤维。
实施例2液相超声制备氮化硼纳米片
(1)将氮化硼粉末与异丙醇(质量比1∶60)进行混合，并进行超声处理，超声时间12小时；
(2)通过离心，分离剥离后的氮化硼，在鼓风干燥箱中70摄氏度干燥12小时，得到氮化硼纳米片。
实施例3热压法制备聚合物基复合薄膜
(1)将0.25克钛酸铜钙纳米纤维于9克N，N-二甲基甲酰胺中均匀分散，超声处理1小时，加入1克聚偏氟乙烯，持续搅拌12小时，将溶液倾倒在洁净、平整的玻璃板上，流延成膜，70摄氏度干燥12小时，得到钛酸铜钙纳米纤维复合薄膜；
(2)将0.14克氮化硼纳米片于9克N，N-二甲基甲酰胺中均匀分散，超声处理1小时，加入1克聚偏氟乙烯，持续搅拌12小时，将溶液倾倒在洁净、平整的玻璃板上，流延成膜，70摄氏度干燥12小时，得到氮化硼纳米片复合薄膜；
(3)将步骤(1)(2)所得到的复合薄膜进行叠放，氮化硼纳米片复合薄膜置于外侧，钛酸铜钙纳米纤维复合薄膜置于中间，使用平板硫化机进行热压，预热温度190摄氏度，热压温度190摄氏度，热压时间5分钟，冷却后，得到三明治型高储能密度聚偏氟乙烯复合薄膜。
对上述实施例所制备的复合薄膜进行一系列测试，其结果表明，三明治结构聚合物复合材料在100Hz电场下，介电常数相对于聚合物基体的9提升至13，其介电损耗仍保持在一个相对较低的水平，而其储能密度也有了较大提升。
附图说明：
图1为三明治型高储能密度聚偏氟乙烯复合薄膜的制备示意图。
图2为制备出的钛酸铜钙纳米纤维的扫描电子显微镜图。
图3为制备剥离的氮化硼纳米片的扫描电子显微镜图。
图4为实施例3所制备的三明治型高储能密度聚偏氟乙烯复合薄膜的介电常数与损耗的频谱。

Claims (8)

1.使用氮化硼纳米片与钛酸铜钙纳米纤维制备三明治结构的高储能密度聚合物基介电复合材料的方法，该方法包括以下步骤：
(1)通过静电纺丝法或水热法制备钛酸铜钙纳米纤维；
(2)使用剥离后的六方氮化硼陶瓷，得到氮化硼纳米片；
(3)将钛酸铜钙纳米纤维通过溶液分散法或熔融共混法均匀分散于聚合物基体中，制成钛酸铜钙纳米纤维复合薄膜；将氮化硼纳米片通过溶液分散法或熔融共混法均匀分散于聚合物基体中，制成氮化硼纳米片复合薄膜；
(4)将钛酸铜钙纳米纤维复合薄膜作为中间介电层，氮化硼纳米片复合薄膜置于外侧，进行热压处理，得到复合材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所制备的钛酸铜钙纳米纤维，其平均直径范围在100-800纳米，平均纤维长度大于5微米。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所制备氮化硼纳米片，其平均片层尺度大于0.5微米，平均片层厚度小于50纳米。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述聚合物基体，包括但不限于以下聚合物材料：聚偏氟乙烯(PVDF)及其共聚物，聚氨酯(PU)，聚苯乙烯(PS)，聚酰亚胺(PI)，聚丙烯(PP)。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述“溶液分散法”，其过程为：将钛酸铜钙纳米纤维或氮化硼纳米片以及聚合物基体加入到有机溶剂中，机械搅拌辅以超声分散，将填料和基体均匀分散于有机溶剂中。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述“熔融共混法”，其过程为：将钛酸铜钙纳米纤维或氮化硼纳米片与聚合物基体一起加入到挤出机中，将填料均匀分散于熔融状态下的聚合物中。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述的“制成薄膜”，分为两种：使用溶液分散法时，采用的是涂膜工艺，通过刮刀将溶液涂在平板上，然后在烘箱中烘干成膜，厚度小于20微米；使用熔融共混法时，采用的是拉膜工艺，材料在熔融共混后从机头挤出成为厚度较厚的片材，然后经过纵向和横向拉伸制备出小于20微米的薄膜。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)所述的热压处理，使用平板硫化机，预热和热压温度在165-230℃以内。
CN201710928412.5A 2017-10-09 2017-10-09 一种三明治结构高储能密度聚合物基介电复合材料及其制备方法 Active CN107901303B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710928412.5A CN107901303B (zh) 2017-10-09 2017-10-09 一种三明治结构高储能密度聚合物基介电复合材料及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710928412.5A CN107901303B (zh) 2017-10-09 2017-10-09 一种三明治结构高储能密度聚合物基介电复合材料及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107901303A CN107901303A (zh) 2018-04-13
CN107901303B true CN107901303B (zh) 2020-11-10

Family

ID=61841183

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710928412.5A Active CN107901303B (zh) 2017-10-09 2017-10-09 一种三明治结构高储能密度聚合物基介电复合材料及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107901303B (zh)

Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109762278B (zh) * 2019-01-17 2021-03-16 武汉理工大学 一种二维纳米片-聚合物柔性复合薄膜及其制备方法
CN110310829A (zh) * 2019-05-23 2019-10-08 深圳先进技术研究院 埋入式电容材料、其制备方法及印制线路板
CN110358229A (zh) * 2019-07-26 2019-10-22 北京科技大学 一种包含正交分布一维纳米填料的电介质薄膜及制备方法
CN112316567B (zh) * 2020-10-19 2022-07-22 江苏大学 一种纳米纤维过滤薄膜及其制备方法和装置
CN112852023A (zh) * 2021-01-13 2021-05-28 武汉理工大学 一种生物质高介电纳米复合膜的制备方法
CN112920531B (zh) * 2021-02-18 2022-02-11 西安交通大学 一种高储能密度聚合物及基于场排列制备其的方法
CN114148003B (zh) * 2021-11-22 2024-02-06 成都迈科高分子材料股份有限公司 利用等离子体改性的多层电容膜的制备方法
CN114103348B (zh) * 2021-11-22 2023-03-14 四川大学 多层复合bope电容膜及其制备方法
CN114196050A (zh) * 2021-12-16 2022-03-18 浙江工业大学 一种功能化氮化硼改性的pvdf基纳米复合电介质薄膜的制备方法
CN114481452B (zh) * 2021-12-30 2023-08-22 哈尔滨理工大学 电容器复合薄膜及其制备方法以及电容器
CN115958729B (zh) * 2022-04-15 2023-09-05 雷索智能科技(苏州)有限公司 一种超声定向成膜装置及定向成膜方法
CN114874474A (zh) * 2022-04-18 2022-08-09 北京科技大学 一种耐高温高储能全有机聚酰亚胺复合薄膜及其制备方法和应用
CN114927345A (zh) * 2022-05-19 2022-08-19 江苏科技大学 一种pvdf复合储能材料及其制备方法
CN116021855A (zh) * 2023-03-29 2023-04-28 河北海伟电子新材料科技股份有限公司 高储能密度的介电复合膜、制备方法及用途

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103147226A (zh) * 2013-02-07 2013-06-12 江西师范大学 一种制备聚合物基高介电纳米复合材料的方法
CN105295263A (zh) * 2015-11-11 2016-02-03 同济大学 一种聚合物基复合材料及其制备方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103147226A (zh) * 2013-02-07 2013-06-12 江西师范大学 一种制备聚合物基高介电纳米复合材料的方法
CN105295263A (zh) * 2015-11-11 2016-02-03 同济大学 一种聚合物基复合材料及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN107901303A (zh) 2018-04-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107901303B (zh) 一种三明治结构高储能密度聚合物基介电复合材料及其制备方法
Li et al. Enhanced energy storage performance of ferroelectric polymer nanocomposites at relatively low electric fields induced by surface modified BaTiO3 nanofibers
Zhang et al. High dielectric constant and low dielectric loss hybrid nanocomposites fabricated with ferroelectric polymer matrix and BaTiO3 nanofibers modified with perfluoroalkylsilane
CN108456324A (zh) 一种表面涂覆工艺制备高性能无机/有机复合多层介电薄膜的方法及其应用
CN108998893B (zh) 一种梯度结构聚偏氟乙烯基复合介质及其制备方法
CN107705985B (zh) 一种高储能效率铁电聚合物基电介质薄膜、及其制备方法和用途
CN103094513B (zh) 锂离子电池薄膜原位制备方法、锂离子电池薄膜以及电池
CN108017861A (zh) 一种二氧化硅包覆钛酸铜钙纳米纤维的聚合物基介电复合材料及其制备方法
CN102496457B (zh) 一种复合陶瓷薄膜叠层高储能密度电容器及其制备方法
CN111073059A (zh) 一种纳米纤维素电热膜及其制备方法
CN108623955B (zh) 柔性复合薄膜及其制备方法
CN102775626B (zh) 高储能密度固体介电复合材料的制备方法
CN112373162A (zh) 一种具有三层结构的复合介电材料及其制备方法
Zhang et al. Recent progress in polymer dielectric energy storage: From film fabrication and modification to capacitor performance and application
Wang et al. Dielectric nanocomposites with high energy density by doping core-double shell structured fillers
CN113402748A (zh) 一种全有机复合电介质的制备及储能性能优化方法
CN113903597B (zh) 一种碳量子点/聚合物介电复合材料及其制备方法和应用
CN109486000B (zh) 一种高储能密度聚合物基纳米复合材料及其制备方法
CN107571586B (zh) 一种叠层结构铁电聚合物基电介质薄膜、及其制备方法和用途
CN109762275B (zh) 一种氟化导电粒子/pvdf基复合介电薄膜的制备方法
CN110713618A (zh) 聚合物基复合电介质材料及其制备方法和储能器件
Zhang et al. Structure, dielectric, ferroelectric, and energy density properties of polyethersulfone-based composite for energy storage application
CN112920531B (zh) 一种高储能密度聚合物及基于场排列制备其的方法
CN113183570A (zh) 一种高温电介质复合材料的制备方法
CN112980188A (zh) 一种锆钛酸钡钙纤维/聚醚砜基复合电介质制备及储能性能优化

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant