CN111341561A - 一种双层介质薄膜及其制备方法和薄膜电容器 - Google Patents
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Abstract
一种双层介质薄膜及其制备方法和薄膜电容器,其中,第一层薄膜采用薄膜电容器常用的双向拉伸聚丙烯BOPP、双向拉伸聚酯BOPET等,第二层膜由无机纳米颗粒与聚合物胶粘剂复合而成。所述无机纳米颗粒为无机纳米金属氧化物颗粒和钛酸钡颗粒中的一种或多种。所述双层介质薄膜的制备方法包括,首先将无机纳米颗粒在水中超声分散后加入胶粘剂搅拌均匀制得混合物,将所述混合物通过涂布设备涂覆在第一层膜上;其次将薄膜干燥处理,即得双层介质薄膜。使用上述双层介质薄膜制得的双层介质薄膜电容器的容量可达1μF,并具有优良散热特性和高储能密度的特征,预期在电力电子等领域具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及有机电介质薄膜电容器领域,为一种双层介质薄膜及其制备方法和薄膜电容器,尤指一种高效散热、高储能密度的薄膜电容器。
背景技术
电力电子设备的工作频率不断升高,所用的薄膜的电容器在连续工作时具有显著的温升特征,高温长期作用严重影响薄膜电容器安全和寿命。同时,随着电力电子工业的发展,目前应用的薄膜电容器都在追求器件的小型化和高性能化。因此,具有高效散热和高储能密度的薄膜电容器是研发的重要技术方向,将为器件的系统集成和应用起到重要作用。
现有薄膜电容器全部采用单层介质薄膜卷绕而成,所用介质材料是由纯聚合物构成,受限于这些聚合物本征结构的影响,这些聚合物的热导率和储能密度都较低。为了改善薄膜电容器的散热效率和储能密度等特性,直接与这类聚合复合将影响材料的耐电强度等性能。因此,克服现有聚合物介质薄膜特性的不利因素成为薄膜电容器发展的关键所在。
发明内容
为了解决上述技术问题,本发明提供了一种双层介质薄膜及其制备方法和薄膜电容器,采用双层介质薄膜技术能够显著改善薄膜电容器的特性,现有技术中的薄膜的介电常数较低,导热性差,通过第二层膜中的高介电纳米颗粒,不但提升了介电常数、还提供了足够大的耐电强度,提高了薄膜的导热散热能力以及储能密度特性。
本发明具有如下特点:材料制备方法容易、电容器卷绕工艺不受影响、易推广、实用性强,可以使薄膜电容器散热效率和储能密度大幅提高。
本发明提供了一种双层介质薄膜,所述双层介质薄膜包括第一层膜和第二层薄膜;
所述第一层膜包括双向拉伸聚丙烯BOPP、双向拉伸聚酯BOPET中的一种或多种;所述第二层膜由无机纳米颗粒与聚合物胶粘剂组成;
所述无机纳米颗粒为无机纳米金属氧化物颗粒和钛酸钡颗粒中的一种或多种。
优选地,所述第一层膜由双向拉伸聚丙烯BOPP、双向拉伸聚酯BOPET中的一种或多种组成。
在本发明提供的双层介质薄膜的厚度为3.2-7.8微米;优选地,所述双层介质薄膜的厚度为4.0-7.0微米。
在本发明提供的双层介质薄膜中,所述第一层膜的厚度为2.0-5.8微米,所述第二层膜厚度为0.2-2.0微米。
在本发明提供的双层介质薄膜中,所述聚合物胶粘剂选自聚丙烯酸酯乳液和聚丙烯腈乳液中的一种或多种。
在本发明提供的双层介质薄膜中,所述无机纳米金属氧化物颗粒选自纳米Al2O3、MgO和TiO2中的一种或多种;
可选地,所述无机纳米颗粒的粒径为10-200nm。
在本发明提供的双层介质薄膜中,所述第二层膜中,无机纳米颗粒与聚合物胶粘剂的质量比为(10-80):(90-20)。
另一方面,本发明提供了上述的双层介质薄膜的制备方法,包括以下步骤:
1)无机纳米颗粒先在水中超声分散后加入胶粘剂搅拌均匀制得混合物,将所述混合物通过涂布设备涂覆在第一层膜上;
2)将步骤1)中得到的薄膜,在20-60℃下干燥处理2-20min,即得双层介质薄膜;
可选地,所述无机纳米颗粒与水的重量比为(10-50):(90-50);所述双层介质薄膜的制备方法由以上步骤组成。
另一方面,本发明提供了一种电容器,所述电容器中包含上述的双层介质薄膜。可选地,所述电容器仅使用上述介质薄膜作为介电材料。
在本发明提供的电容器中,所述双层介质薄膜为第二层膜表面蒸镀有金属电极的双层介质薄膜;
可选地,所述金属电极选自锌、铝、铜和金中的两种或多种。
在本发明提供的电容器中,所述电容器使用卷绕工艺制备,并在电容器芯子两端喷金形成电容器引出电极。
与现有技术相比,本发明具有的有益效果:
本发明提出的双层介质薄膜的高效散热高储能密度薄膜电容器,相比传统薄膜电容器结构,其最大的差异是采用双层介质薄膜,从而克服了单一层介质薄膜电容器的缺陷。通过采用构造具有显著导热散热能力的复合功能层。与单层薄膜电介质电容器相比较,达到了高耐电特性及高效导热散热特性和高储能密度特性。同时在电场作用下实现了薄膜电容器的高储能密度特性。
该发明制备的双层介质薄膜的高效散热高储能密度薄膜电容器可广泛应用于高频工作环境下电力电子技术领域,主要包括5G通讯、输变电工程、新能源汽车及脉冲功率器件等。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述,并且,部分地从说明书中变得显而易见,或者通过实施本发明而了解。本发明的其他优点可通过在说明书和说明书附图中所描述的方案来发明实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明技术方案的理解,并且构成说明书的一部分,与本发明的实施例一起用于解释本发明的技术方案,并不构成对本发明技术方案的限制。
图1为双层介质薄膜的高效散热及高储能密度薄膜电容器局部剖切示意图。
图2为实施例和对比例电容器热导与储能特性统计图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,下文对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是,在不冲突的情况下,本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
本发明实施例部分提供了一种双层介质薄膜,所述双层介质薄膜包括第一层膜和第二层薄膜;
所述第一层膜包括双向拉伸聚丙烯BOPP、双向拉伸聚酯BOPET中的一种或多种;所述第二层膜由无机纳米颗粒与聚合物胶粘剂组成;
所述无机纳米颗粒为无机纳米金属氧化物颗粒和钛酸钡颗粒中的一种或多种。
优选地,所述第一层膜由双向拉伸聚丙烯BOPP、双向拉伸聚酯BOPET中的一种或多种组成。
在本发明实施例中,双层介质薄膜的厚度为3.2-7.8微米;优选地,所述双层介质薄膜的厚度为4.0-7.0微米。
在本发明实施例中,所述第一层膜的厚度为2.0-5.8微米,所述第二层膜厚度为0.2-2.0微米。
在本发明实施例中,所述聚合物胶粘剂选自聚丙烯酸酯乳液和聚丙烯腈乳液中的一种或多种。
在本发明实施例中,所述无机纳米金属氧化物颗粒选自纳米Al2O3、MgO和TiO2中的一种或多种;
可选地,所述无机纳米颗粒的粒径为10-200nm。
在本发明实施例中,所述第二层膜中,无机纳米颗粒与聚合物胶粘剂的质量比为(10-80):(90-20)。
另一方面,本发明提供了一种电容器,所述电容器中包含上述的双层介质薄膜。可选地,所述电容器仅使用上述介质薄膜作为介电材料。
在本发明提供的电容器中,所述双层介质薄膜为第二层膜表面蒸镀有金属电极的双层介质薄膜;
可选地,所述金属电极选自锌、铝、铜和金中的两种或多种。
在本发明提供的电容器中,所述电容器使用卷绕工艺制备,并在电容器芯子两端喷金形成电容器引出电极。
下面通过具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明制备方法由下列3个步骤制备而成,分为双层介质薄膜制备、双层介质薄膜表面金属化处理、双层介质薄膜卷绕制备高效散热和高储能密度电容器。其核心技术包括:一是双层介质薄膜中功能层的组成设计、制备工艺及结构与性能;二是在功能层表面的金属化工艺技术;三是双层介质薄膜卷绕电容器的工艺技术。
本发明中双层介质薄膜的功能层由表面包覆的金属氧化物(Al2O3,MgO,TiO2等)和钙钛矿结构高介电常数钛酸钡(BaTiO3)等无机纳米颗粒中的一种或多种与聚合物胶粘剂组成,双层介质薄膜中基层与功能层的厚度比可以通过功能层组成及其含量进行调节。
在本发明实施例中,所述聚丙烯腈胶粘剂乳液购自四川茵地乐,牌号LA133。
实施例1
本实施例提供了由双层介质薄膜制备的高效散热高储能密度薄膜电容器,所述电容器制备方法包括以下步骤:
1)双层介质薄膜制备
首先将500g粒径100nm的纳米氧化铝在4500ml水中,再加入聚丙烯腈胶粘剂乳液,聚丙烯腈胶粘剂乳液和纳米氧化铝重量比为2:5,共混均匀后备用。
选用BOPP5.8微米厚度的薄膜作为基体膜,利用涂覆设备微凹涂布机,线速度10米/分钟,烘箱温度40℃,将聚丙烯腈胶粘剂乳液和纳米氧化铝制得的浆料涂覆到基体膜上形成第二层膜,所述第二层膜厚度约为1微米。涂覆后的薄膜经过40℃烘箱干燥处理10分钟,获得双层介质薄膜。
2)双层介质薄膜表面金属化处理
利用连续蒸镀设备在双层介质薄膜的功能层表面蒸镀锌铝合金金属电极,并设计有电极加厚区、电极普通区以及无电极留边区,保持电极区具有较低的方阻,蒸镀时以铝打底,保证电极普通区方阻在100-140欧姆之间,以锌蒸镀加厚区,电阻在2-8欧姆之间,留边区宽度为2.5-3mm。
3)高效散热和高储能密度电容器样卷绕制备与性能
采用卷绕工艺制备双层介质薄膜电容器,卷绕张力设置为1.5KG,电容量大小设置为12uF,卷绕完成后,在105℃下热处理8小时,喷金并引出电极制备得到电容器。
对比例1
1)BOPP薄膜表面金属化处理
将BOPP薄膜表面进行金属化处理,处理方式与实施例1相同。利用连续蒸镀设备在BOPP薄膜的功能层表面蒸镀锌铝合金金属电极,并设计有电极加厚区、电极普通区以及无电极留边区,保持电极区具有较低的方阻,蒸镀时以铝打底,保证电极普通区方阻在100-140欧姆之间,以锌蒸镀加厚区,保证电阻在2-8欧姆之间,留边区宽度为2.5-3mm。
2)BOPP电容器对比样卷绕制备与性能
采用卷绕工艺制备BOPP薄膜电容器,条件与双层介质薄膜电容器相同:卷绕张力设置为1.5KG,电容量大小设置为12uF,卷绕完成后,在105℃下热处理8小时,喷金并引出电极制备得到电容器。
实施例1制得的薄膜电容器与对比例1单纯由BOPP制备的薄膜电容器相比较,由本发明的双层介质薄膜制备的薄膜电容器的散热效率提升约3倍,储能密度提升40~60%,是一种具有显著优异性能的新型结构薄膜电容器。本发明具有制备工艺简单、性能稳定,应用前景广阔的优势。
实施例1和对比例1生产的电容器的主要性能列于表1中。
表1实施例1和对比例1的性能表
序号 | 性能项目 | 单位 | 实施例1性能参数 | 对比例1性能参数 |
1 | 电容量 | μF | 12 | 10 |
2 | 相对介电常数 | 2.8~3 | 2.2 | |
3 | 2500V直流耐压 | S | 60 | 30 |
4 | 100V直流电阻 | MΩ | 5000~12000 | 5000~12000 |
5 | 500V直流电阻 | MΩ | 1500~3500 | 1500~3500 |
虽然本发明所揭露的实施方式如上,但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式,并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员,在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下,可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化,但本发明的专利保护范围,仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种双层介质薄膜,其特征在于,所述双层介质薄膜包括第一层膜和第二层薄膜;
所述第一层膜包括双向拉伸聚丙烯BOPP、双向拉伸聚酯BOPET中的一种或多种;所述第二层膜由无机纳米颗粒与聚合物胶粘剂组成;
所述无机纳米颗粒为无机纳米金属氧化物颗粒和钛酸钡颗粒中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的双层介质薄膜,其特征在于,所述双层介质薄膜的厚度为3.2-7.8微米;优选地,所述双层介质薄膜的厚度为4.0-7.0微米。
3.根据权利要求3所述的双层介质薄膜,其特征在于,所述第一层膜的厚度为2.0-5.8微米,所述第二层膜厚度为0.2-2.0微米。
4.根据权利要求1所述的双层介质薄膜,其特征在于,所述聚合物胶粘剂选自聚丙烯酸酯乳液和聚丙烯腈乳液中的一种或多种。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的双层介质薄膜,其特征在于,所述无机纳米金属氧化物颗粒选自纳米Al2O3、MgO和TiO2中的一种或多种;
可选地,所述无机纳米颗粒的粒径为10-200nm。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的双层介质薄膜,其特征在于,所述第二层膜中,无机纳米颗粒与聚合物胶粘剂的质量比为(10-80):(90-20)。
7.一种权利要求1至6中任一项所述的双层介质薄膜的制备方法,包括以下步骤:
1)无机纳米颗粒先在水中超声分散后加入胶粘剂搅拌均匀制得混合物,将所述混合物通过涂布设备涂覆在第一层膜上;
2)将步骤1)中得到的薄膜,在20-60℃下干燥处理2-20min,即得双层介质薄膜;
可选地,所述无机纳米颗粒与水的重量比为(10-50):(90-50)。
8.一种电容器,其特征在于,所述电容器中包含权利要求1至6中任一项所述的双层介质薄膜。
9.根据权利要求8所述的电容器,其特征在于,所述双层介质薄膜为第二层膜表面蒸镀有金属电极的双层介质薄膜;
可选地,所述金属电极选自锌、铝、铜和金中的两种或多种。
10.根据权利要求8或9所述的电容器,其特征在于,所述电容器使用卷绕工艺制备,并在电容器芯子两端喷金形成电容器引出电极。
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- 2020-03-20 CN CN202010199040.9A patent/CN111341561A/zh active Pending
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