CN109721897A

CN109721897A - 一种高介电常数三相纳米复合电介质以及制备方法

Info

Publication number: CN109721897A
Application number: CN201910057828.3A
Authority: CN
Inventors: 姚胜红; 高翔
Original assignee: Intelligent Capacitance Electricity (beijing) Technology Co Ltd
Current assignee: Intelligent Capacitance Electricity (beijing) Technology Co Ltd
Priority date: 2019-01-22
Filing date: 2019-01-22
Publication date: 2019-05-07

Abstract

本发明涉及一种高介电三相复合电介质材料及其制备方法。本发明所提供的电介质复合材料由聚合物基体聚偏氟乙烯PVDF和导电填料多壁碳纳米管CNT及陶瓷填料碳化硅SiC组成。复合材料中，PVDF所占的体积百分比为77‑97%，碳纳米管所占体积百分比为1‑9%，碳化硅所占体积百分比为1‑14%。本发明通过将PVDF、CNT、SiC粉末和溶剂DMF混合，磁力搅拌12±0.1h，将所得前驱体溶液在玻璃板上涂膜后，于80±1°C干燥6±0.1h，得到固体复合薄膜。所得薄膜在冶炼机内熔融共混以进一步提高纳米粒子分散性，控制混炼温度200±1°C，转速20 rpm，混炼时间30分钟。所得熔体在室温下注射成型制备良好分散的电介质复合材料。与PVDF/CNT两相复合材料相比，本发明所提供的三相复合材料具有更加优异的介电性能。

Description

一种高介电常数三相纳米复合电介质以及制备方法

技术领域

本发明属于工程电介质材料制备技术领域，特别涉及介电常数高，介电损耗低、制备工艺简单且容易实验工业规模化的一种高介电常数三相纳米复合电介质以及制备方法。

背景技术

严峻的环境问题急需能源结构的变革。未来社会光伏发电和风能发电等可持续绿色能源在能源消耗中所占的比例会越来越高。然而环境、天气等随机因素使得太阳能与风能发电随机性较大。将这些绿色能源稳定地并入智能电网成为了新能源电力技术发展的瓶颈(P. Simon, Y. Gogotsi, Nature Mater. 2008, 7, 845–854)。解决这一难题的关键在于开发大容量的与智能电网相容的储能设备与技术。国内外的研究主要集中在锂离子电池和超级电容器等电化学储能设备与材料(C. Liu C, F. Li et al.Adv. Mater. 2010, 22(8):E28-E62)。然而电介质电容器的超快充放电速率、极高的功率密度，使其在绿色新能源技术、高能脉冲功率技术等领域有着广泛的应用前景。

目前薄膜电容器所用的电介质材料多为双向拉伸聚丙烯等纯聚合物材料，聚合物较低的介电常数导致电容器的储能密度只能达到~2 J/cm³。要提高介质材料的储能密度，需要在保持聚合物材料的低介电损耗、高击穿场强的同时提高其介电常数。通过将聚合物与导电纳米粒子进行复合可以在渗流阈值附近提高材料的介电常数，这是本领域里很重要的一条技术发展方向（S. Chalasani, J. Conrad, Proceedings IEEE Southeastcon,2008, 442-447.）。理论上，介电常数在渗流阈值附近的发散行为可以将其提高到无限大，但前期研究结果表明简单的向聚合物基体里填充导电粒子对介电常数的提高非常有限，原因在于无规分布的纳米粒子很容易团聚形成导电路径，进而产生离域电荷降低界面极化强度，导致介电常数下降，介电损耗增加。另一解决方案是将高介电常数陶瓷粒子填充到聚合物基体，如钛酸钡的粉末填充PVDF复合材料，当钛酸钡的体积百分比达到50%以上，在100Hz下复合材料的介电常数可达到数十(Z. Dang, J. Yuan, S. Yao, R. Liao, Adv. Mater.2013, 25, 6334-6365)。该方法可以有效控制复合材料的介电损耗维持在较低水平0.001-0.01，但缺陷是复合材料的介电常数随着填充量增长缓慢，并且提高幅度有限。本发明将以上两种策略相结合，制备导电颗粒与陶瓷颗粒共填的三相高介电复合材料。所得三相复合材料具有高介电、低损耗的特点。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的问题，而提供一种兼有高介电和低损耗，同时制备工艺简单可规模化的高介电常数三相纳米复合电介质。

本发明所提供的三相电介质复合材料由聚合物基体聚偏氟乙烯（PVDF）和导电填料多壁碳纳米管（CNT）及导热填料碳化硅（SiC）组成。复合材料中，PVDF所占的体积百分比为77-97%，碳纳米管所占体积百分比为 1-9%，碳化硅所占体积百分比为1-14%。

本发明所提供的三相电介质复合材料的制备方法，如下：

1）将PVDF、CNT、SiC粉末和溶剂DMF混合，磁力搅拌12±0.1h，将所得前驱体溶液在玻璃板上涂膜后，于80±1°C干燥6±0.1h，得到固体复合薄膜。

2）将步骤1)中制备的固体复合薄膜在冶炼机内熔融共混以进一步提高纳米粒子分散性，控制混炼温度200±1°C，转速20 rpm，混炼时间30分钟。所得熔体在室温下注射成型制备分散良好的电介质复合材料。

本发明具有以下有益效果：

本发明所提供的三相电介质复合材料的介电性能优异，在导电碳纳米管体积分数为9%，碳化硅体积分数为14.4%时，复合材料在100 Hz下的介电常数达到230，与同体积含量的CNT/PVDF两相复合材料相比，提高了200%。同时三相复合材料的介电损耗约为0.45。

附图说明

图1，实施例1-8中制备的复合材料的介电常数与频率的关系。

图2，实施例1-8中制备的复合材料的介电损耗与频率的关系。

图3，三相复合材料实施例1-8中制备的复合材料的介电常数与两相复合材料实施例1-5中制备的复合材料的介电常数与碳纳米管体积分数的关系。

图4，三相复合材料实施例1-8中制备的复合材料的介电损耗与两相复合材料实施例1-5中制备的复合材料的介电损耗与碳纳米管体积分数的关系。

图5，实施例7中制备的复合材料的断面SEM 照片。

具体实施方式

下述实施中说使用的SiC, CNT PVDF 具有市售商品。

三相复合材料实施例1-8

将PVDF、CNT、SiC粉末和溶剂DMF混合，磁力搅拌12±0.1h，将所得前驱体溶液在玻璃板上涂膜后，于80±1°C干燥6±0.1h，得到固体复合薄膜。所得薄膜在冶炼机内熔融共混以进一步提高纳米粒子分散性，控制混炼温度200±1°C，转速20 rpm，混炼时间30分钟。所得熔体在室温下注射成型制备良好分散的电介质复合材料。其中PVDF、CNT、SiC粉末用量以及各自所占三相复合材料的百分比如表1中所示，实施例1-8中所用DMF的用量均为40ml。

表1，实施例1-8中PVDF、CNT、SiC粉末用量以及各自所占三相复合材料的百分比。

两相复合材料实施例1-4.

将PVDF、CNT粉末和溶剂DMF混合，磁力搅拌12±0.1h，将所得前驱体溶液在玻璃板上涂膜后，于80±1°C干燥6±0.1h，得到固体复合薄膜。所得薄膜在冶炼机内熔融共混以进一步提高纳米粒子分散性，控制混炼温度200±1°C，转速20 rpm，混炼时间30分钟。所得熔体在室温下注射成型制备良好分散的电介质复合材料。其中PVDF、CNT粉末用量以及各自所占三相复合材料的百分比如表2中所示，实施例1-5中所用DMF的用量均为40ml。

表2，实施例1-5中PVDF、CNT粉末用量以及各自所占两相复合材料的百分比。

从图1中可看出，实施例1-6中制备的的复合材料介电常数随频率变化不大，实施例7-8中在低频下对频率依赖性增强。从图2中可看出，实施例1-4中制备的复合材料与纯PVDF相比介电损耗变化不大，随着填料含量增加，尤其对于7-8实施例中复合材料，损耗极具升高。从图3中可看出，在相同碳纳米管含量下，三相复合材料的介电常数要大大地优于两相复合材料。从图4中可看出，在相同碳纳米管含量下，三相复合材料的介电损耗也高于两相复合材料，但其数值仍在可接受的范围内。从图5中可看出，碳纳米管和碳化硅颗粒在三相复合材料中分散良好。

Claims

1.一种高介电三相复合材料，其特征在于，所述的复合材料由聚合物基体聚偏氟乙烯PVDF和导电填料多壁碳纳米管CNT及导热填料碳化硅SiC组成。

2.复合材料中，PVDF所占的体积百分比为77-97%，碳纳米管所占体积百分比为 1-9%，碳化硅所占体积百分比为1-14%。

3.根据权利要求1所述的一种高介电常数三相纳米复合电介质的制备方法，其特征在于包括以下步骤：将PVDF、CNT、SiC粉末和溶剂DMF混合，磁力搅拌12±0.1h，将所得前驱体溶液在玻璃板上涂膜后，于80±1°C干燥6±0.1h，得到固体复合薄膜。

4.将制备的固体复合薄膜在冶炼机内熔融共混以进一步提高纳米粒子分散性，控制混炼温度200±1°C，转速20 rpm，混炼时间30分钟。

5.所得熔体在室温下注射成型制备分散良好的电介质复合材料。