CN109592979A - 一种高储能密度钛酸钡复合电介质材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于新材料制备技术领域，公开了一种高储能密度钛酸钡复合电介质材料的制备方法，包括：利用甲苯分散巯基化碳材料、α烯烃磺酸盐和催化剂，氮气氛围下升温处理若干时间后离心处理；将离心物分散至蒸馏水体系中，高速搅拌条件下加入钡盐溶液，然后逐滴加入碳酸盐溶液并充分搅拌，经离心、干燥等步骤获得钛酸钡包覆碳材料的核壳结构；将获得的核壳结构和二氧化钛粒子混合，绝氧预烧结，冷却后研磨加入聚乙烯醇并压片，绝氧高温烧结成型。本发明同时发挥钛酸钡基体及导电逾渗体系电介质储能的功能，使制备的钛酸钡复合电介质材料具有超高储能密度、超快充放电速度及超大放电功率。

Description

一种高储能密度钛酸钡复合电介质材料的制备方法
技术领域
本发明属于新材料制备技术领域，具体涉及一种高储能密度钛酸钡复合电介质材料的制备方法。
背景技术
由于具有充放电速率快、放电功率高等特点，电介质储能材料已经广泛应用于现代电子及电能系统，如电动汽车、电力系统、激光武器等。线性电介质储能密度(Ue)可以根据关系式Ue＝1/2ε0εrEb 2计算，其中ε0、εr和Eb分别为真空介电常数、相对介电常数和击穿电压。可以发现，相对介电常数和击穿电压是电介质储能材料的关键参数。陶瓷电介质材料在制备高储能密度电容器方面有一定优势，但其击穿场强可改进的空间有限。因此，提高陶瓷电介质的介电常数将是改善其储能密度的一种方式。
钛酸钡具有价格低、易制备、机械性能高及热稳定性好等优点，是目前较为理想的电介质材料。虽然钛酸钡具有相对较高的介电常数，但是低击穿强度导致储能密度难以满足当前的应用要求。添加少量的碳材料(如炭黑、碳纤维、碳纳米管、石墨烯纳米片等)至钛酸钡基体即可获得高介电常数的复合电介质材料，尤其是在碳材料填充量接近逾渗值时，介电常数将陡增。不过，研究工作表明，碳材料易团聚，尤其是纳米尺度的碳材料，较难在钛酸钡基体中均匀分散，极易形成导电网络结构，从而使介电损耗提高，击穿强度下降。
综上所述，现有技术存在的问题是：
(1)现有技术中，钛酸钡基复合材料界面难以良好相容，导致介电损耗偏高，击穿强度可提升空间有限；
(2)现有技术中，钛酸钡基复合材料的介电常数偏低，储能密度不高，难以应用推广。
解决上述技术问题的难度和意义：
如何实现钛酸钡基复合材料介电常数极大提升同时不损害其击穿强度是现有技术的难点。
解决此技术问题一方面能为制备高储能密度电介质材料奠定基础；另一方面有助于进一步实现电子器件轻量化、小型化，推广钛酸钡介电材料的应用领域。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题，而提供一种高储能密度钛酸钡复合电介质材料的制备方法，为制备高储能密度电介质材料提供技术储备。
本发明自组装手段制备出一种以钛酸钡均匀包覆导电碳材料的新型陶瓷电介质材料。钛酸钡一方面发挥着高介电常数属性，更重要的是钛酸钡绝缘特性可以避免碳材料直接形成导电通路，为制备高储能密度电介质材料奠定基础。该制备方法操作简便、工艺稳定、成本低廉、材料结构可控，具有很好的应用价值。
本发明通过以下技术方案实现的，一种高储能密度钛酸钡复合电介质材料的制备方法，包括：
步骤1，600转/分钟转速的搅拌条件下将巯基化碳材料、α烯烃磺酸盐和催化剂分散至甲苯体系中，氮气氛围下升温处理若干时间后离心分离；
步骤2，将步骤1离心物分散至蒸馏水中，在高速搅拌下加入钡盐溶液，然后逐滴加入碳酸盐溶液并充分搅拌，经8000转/分钟离心、常温真空干燥等步骤获得钛酸钡包覆碳材料的核壳结构；
步骤3，将获得的核壳结构和二氧化钛粒子混合，绝氧预烧结，冷却后研磨加入聚乙烯醇并压片，绝氧高温烧结成型，即制得。
本发明的特征还在于，进一步的，所述步骤1中，碳材料为炭黑、碳纤维、碳纳米管与石墨烯中的任意一种。
进一步的，所述步骤1中，α烯烃磺酸盐为乙烯基磺酸钠、4-苯乙烯磺酸钠、烯丙基磺酸钠、甲基丙烯磺酸钠中的任意一种。
进一步的，所述步骤1中，催化剂为过氧化二苯甲酰、叔丁基过氧化氢、偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈中的任意一种。
进一步的，所述步骤2中，钡盐溶液则为氯化钡和硝酸钡溶液中的任意一种碳酸盐溶液为碳酸钠和碳酸钾溶液中的任意一种。
进一步的，所述步骤1中巯基化碳材料质量为0.2～2g；α烯烃磺酸盐质量为0.1～0.5g；催化剂质量为0.1～0.3g；甲苯体积为100～300ml；处理温度为60～90℃，处理时间为0.1～0.5小时。
进一步的，所述步骤2中，蒸馏水体积为50～150ml；1mol/L钡盐溶液的体积为50～100ml；1mol/L碳酸盐溶液的体积为55～110ml。
进一步的，所述步骤3中，二氧化钛质量为4～9g；预烧结温度为750～1200℃，处理时间为1～2小时；高温烧结温度为1200～1500℃，处理时间为12～48小时。
本发明的另一目的在于提供一种利用所述高储能密度钛酸钡复合电介质材料的制备方法制备的高储能密度钛酸钡复合电介质材料。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：
本发明的有益效果是提供制备一种新型高储能密度钛酸钡复合电介质材料的制备方法，不仅可以发挥钛酸钡高介电常数属性，更重要的是，还可以利用钛酸钡绝缘特性避免碳材料直接接触形成导电通路，降低钛酸钡复合材料介电损耗，为高储能密度钛酸钡电介质材料应用奠定技术基础。采用本方法合成的钛酸钡复合电介质材料的介电常数高达11012，介电损耗为0.015(106Hz)，击穿强度为21kV/mm-1；而采用相同方法制备的钛酸钡纯样的介电常数为1326，介电损耗为0.008(106Hz)，击穿强度为25kV/mm-1。该制备方法操作简便、工艺稳定、成本低廉、材料结构可控，具有非常可观的应用前景。
本发明同时发挥钛酸钡基体及导电逾渗体系电介质储能的功能，使制备的钛酸钡复合电介质材料具有超高储能密度、超快充放电速度及超大放电功率，在电动汽车、电力系统、激光武器等领域具有较高的应用前景，并提供操作简便、工艺稳定、成本低廉、材料结构可控的制备新方法。
附图说明
图1是本发明实施例提供的高储能密度钛酸钡复合电介质材料的制备方法流程图。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
现有技术中，钛酸钡基复合材料界面难以良好相容，导致介电损耗偏高，击穿强度可提升空间有限；
现有技术中，钛酸钡基复合材料的介电常数偏低，储能密度不高，难以应用推广。
为解决上述问题，下面结合制备方法对本发明作详细描述。
如图1所示，本发明实施例提供的高储能密度钛酸钡复合电介质材料的制备方法，包括：
S101:600转/分钟转速的搅拌条件下将巯基化碳材料、α烯烃磺酸盐和催化剂分散至甲苯体系中，氮气氛围下升温处理若干时间后离心分离；
S102:将步骤S101离心物分散至蒸馏水中，在高速搅拌下加入钡盐溶液，然后逐滴加入碳酸盐溶液并充分搅拌，经8000转/分钟离心、常温真空干燥等步骤获得钛酸钡包覆碳材料的核壳结构；
S103:将获得的核壳结构和二氧化钛粒子混合，绝氧预烧结，冷却后研磨加入聚乙烯醇并压片，绝氧高温烧结成型，即制得。
在本发明实施例中，提供一种利用所述高储能密度钛酸钡复合电介质材料的制备方法制备的高储能密度钛酸钡复合电介质材料。
下面结合具体实施例对本发明的应用作进一步描述。
实施例1：
本发明实施例提供的高储能密度钛酸钡复合电介质材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)高速搅拌条件下将2g巯基化碳黑、0.1g乙烯基磺酸钠和0.1过氧化二苯甲酰分散至100ml甲苯体系中，氮气氛围下升温至90℃处理0.1h后离心分离；
(2)将步骤1离心物分散至50ml蒸馏水中，在高速搅拌下加入50ml 1mol/L硝酸钡溶液(浓度为1mol/L)，然后逐滴加入55ml碳酸钾溶液(浓度为1mol/L)并充分搅拌，经离心、干燥等步骤获得钛酸钡包覆碳材料的核壳结构；
(3)将获得的核壳结构和4g二氧化钛粒子混合，绝氧750℃预烧结2h，冷却后研磨加入聚乙烯醇并压片，绝氧1200℃高温烧结48h成型，即制得。
实施例2：
本发明实施例提供的高储能密度钛酸钡复合电介质材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)高速搅拌条件下将0.8g巯基化碳纤维、0.2g 4-苯乙烯磺酸钠和0.2g叔丁基过氧化氢分散至200ml甲苯体系中，氮气氛围下升温至80℃处理0.3h后离心分离，
(2)将步骤1离心物分散至80ml蒸馏水中，在高速搅拌下加入80ml氯化钡溶液(浓度为1mol/L)，然后逐滴加入85ml碳酸钠溶液(浓度为1mol/L)并充分搅拌，经离心、干燥等步骤获得钛酸钡包覆碳材料的核壳结构；
(3)将获得的核壳结构和6g二氧化钛粒子混合，绝氧850℃预烧结1.5h，冷却后研磨加入聚乙烯醇并压片，绝氧1350℃高温烧结36h成型，即制得。
实施例3：
本发明实施例提供的高储能密度钛酸钡复合电介质材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)高速搅拌条件下将0.3g巯基化碳纳米管、0.4g烯丙基磺酸钠和0.2g偶氮二异丁腈分散至260ml甲苯体系中，氮气氛围下升温至60℃处理0.5h后离心分离；
(2)将步骤1离心物分散至120ml蒸馏水中，在高速搅拌下加入90ml硝酸钡溶液(浓度为1mol/L)，然后逐滴加入95ml碳酸钠溶液(浓度为1mol/L)并充分搅拌，经离心、干燥等步骤获得钛酸钡包覆碳材料的核壳结构；
(3)将获得的核壳结构和8g二氧化钛粒子混合，绝氧1000℃预烧结1.5h，冷却后研磨加入聚乙烯醇并压片，绝氧1450℃高温烧结12h成型，即制得。
实施例4：
本发明实施例提供的高储能密度钛酸钡复合电介质材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)高速搅拌条件下将0.2g巯基化石墨烯、0.5g甲基丙烯磺酸钠和0.3g偶氮二异庚腈分散至300ml甲苯体系中，氮气氛围下升温至70℃处理0.4h后离心分离；
(2)将步骤1离心物分散至150ml蒸馏水中，在高速搅拌下加入100ml氯化钡溶液(浓度为1mol/L)，然后逐滴加入110ml碳酸钾溶液(浓度为1mol/L)并充分搅拌，经离心、干燥等步骤获得钛酸钡包覆碳材料的核壳结构；
(3)将获得的核壳结构和9g二氧化钛粒子混合，绝氧1200℃预烧结1h，冷却后研磨加入聚乙烯醇并压片，绝氧1500℃高温烧结12h成型，即制得。
本发明实施例提供一种利用所述高储能密度钛酸钡复合电介质材料的制备方法制备的高储能密度钛酸钡复合电介质材料。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种高储能密度钛酸钡复合电介质材料的制备方法，其特征在于，所述高储能密度钛酸钡复合电介质材料的制备方法包括：
步骤一，600转/分钟转速的搅拌条件下将巯基化碳材料、α烯烃磺酸盐和催化剂分散至甲苯体系中，氮气氛围下升温处理后离心分离；
步骤二，将步骤一离心物分散至蒸馏水中，在高速搅拌下加入钡盐溶液，然后逐滴加入碳酸盐溶液并充分搅拌，经8000转/分钟离心、常温真空干燥获得钛酸钡包覆碳材料的核壳结构；
步骤三，将获得的核壳结构和二氧化钛粒子混合，绝氧预烧结，冷却后研磨加入聚乙烯醇并压片，绝氧高温烧结成型，制得高储能密度钛酸钡复合电介质材料。
2.如权利要求1所述的高储能密度钛酸钡复合电介质材料的制备方法，其特征在于，所述步骤一中的碳材料为炭黑、碳纤维、碳纳米管与石墨烯中的任意一种。
3.如权利要求1所述的高储能密度钛酸钡复合电介质材料的制备方法，其特征在于，所述步骤一中的α烯烃磺酸盐为乙烯基磺酸钠、4-苯乙烯磺酸钠、烯丙基磺酸钠、甲基丙烯磺酸钠中的任意一种。
4.如权利要求1所述的高储能密度钛酸钡复合电介质材料的制备方法，其特征在于，所述步骤一中的催化剂为过氧化二苯甲酰、叔丁基过氧化氢、偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈中的任意一种。
5.如权利要求1所述的高储能密度钛酸钡复合电介质材料的制备方法，其特征在于，所述步骤一中巯基化碳材料质量为0.2～2g；α烯烃磺酸盐质量为0.1～0.5g；催化剂质量为0.1～0.3g；甲苯体积为100～300ml；处理温度为60～90℃，处理时间为0.1～0.5小时。
6.如权利要求1所述的高储能密度钛酸钡复合电介质材料的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，钡盐溶液则为氯化钡和硝酸钡溶液中的任意一种碳酸盐溶液为碳酸钠和碳酸钾溶液中的任意一种。
7.如权利要求1所述的高储能密度钛酸钡复合电介质材料的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，蒸馏水体积为50～150ml；1mol/L氯化钡溶液的体积为50～100ml；1mol/L碳酸钠溶液的体积为55～110ml。
8.如权利要求1所述的高储能密度钛酸钡复合电介质材料的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，蒸馏水体积为50～150ml；1mol/L氯化钡溶液的体积为50～100ml；1mol/L碳酸钠溶液的体积为55～110ml。
9.如权利要求1所述的高储能密度钛酸钡复合电介质材料的制备方法，其特征在于，所述步骤三中，二氧化钛质量为4～9g；预烧结温度为750～1200℃，处理时间为1～2小时；高温烧结温度为1200～1500℃，处理时间为12～48小时。
10.一种利用权利要求1所述高储能密度钛酸钡复合电介质材料的制备方法制备的高储能密度钛酸钡复合电介质材料。
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