DE202021106863U1 - A system for developing improved ferroelectric polymer dielectrics from PVDF-metal/PVDF-ceramic composites/nanocomposites - Google Patents
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Abstract
Ein System zur Entwicklung verbesserter ferroelektrischer Polymer-Dielektrika auf Polymerbasis aus PVDF-Metall/PVDF-Keramik-Verbundwerkstoffen, wobei das System umfasst:
einem Achatmörser und -stößel zum Mischen eines Gemischs aus ferroelektrischem Polymer und metallischen Füllstoffen/Keramikfüllstoffen für etwa 2 Stunden; und
eine hydraulische Presse zum Pressen von Mischungspulver, das in eine Matrize gegossen wird, zur Herstellung einer Vielzahl von Proben der Pulvermischung in Form von Pellets unter Verwendung eines Kaltpressverfahrens bei einer Raumtemperatur zur Entwicklung von Polymer-Dielektrika.
A system for developing improved polymer-based ferroelectric polymer dielectrics from PVDF-metal/PVDF-ceramic composites, the system comprising:
an agate mortar and pestle for mixing a mixture of ferroelectric polymer and metallic/ceramic fillers for about 2 hours; and
discloses a hydraulic press for pressing mixture powder poured into a die to produce a plurality of samples of the powder mixture in the form of pellets using a cold pressing process at room temperature to develop polymer dielectrics.
Description
BEREICH DER ERFINDUNGFIELD OF THE INVENTION
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein System zur Herstellung von Polymer-Nanokompositen aus PVDF mit metallischen Mikron-/NanoFüllstoffen und Nano-Keramik-Füllstoffen, z. B. mit Nano-Nickel und n-BaTiO3, als Polymer-Dielektrika zur Verwendung in elektronischen Gehäusen, elektronischen Bauteilen, die mit solchen dielektrischen Materialien hergestellt werden, und für dielektrische Materialien in Kondensatoranwendungen.The present disclosure relates to a system for producing polymer nanocomposites from PVDF with metallic micron/nano fillers and nano-ceramic fillers, e.g. with nano-nickel and n-BaTiO3, as polymer dielectrics for use in electronic packages, electronic components made with such dielectric materials, and for dielectric materials in capacitor applications.
HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION
Polymere Dielektrika werden seit 20 Jahren für ihre Entwicklung als Energiespeichermaterialien für Kondensatoren erforscht, um die herkömmlichen Keramiken wie BaTiO3, PMN-PT, PZT usw. zu ersetzen, die Blei (Pb) als Giftstoff enthalten, Designprobleme haben, eine längere Verarbeitung und einen höheren Energieverbrauch bei ihrer Synthese erfordern usw. Bei der Entwicklung dieser Polymer-Dielektrika wurden ferroelektrische Polymer-Dielektrika auf der Basis von PVDF erforscht, um bessere Polymer-Dielektrika zu erhalten. Aber dieses Polymer-PVDF verliert seine Sphärolithe durch das herkömmliche Heißformverfahren, wodurch die Grenzflächen zwischen den natürlichen Sphärolithe, die im Polymer-PVDF vorhanden sind, verringert werden, wodurch ihre Effizienz als bessere Polymer-Dielektrika sinkt.Polymeric dielectrics have been researched for 20 years for their development as energy storage materials for capacitors to replace the traditional ceramics such as BaTiO3, PMN-PT, PZT, etc., which contain lead (Pb) as a toxicant, have design problems, longer processing and higher Requiring energy consumption in their synthesis, etc. In the development of these polymer dielectrics, PVDF-based ferroelectric polymer dielectrics have been researched in order to obtain superior polymer dielectrics. But this polymer PVDF loses its spherulites through the traditional hot forming process, reducing the interfaces between the natural spherulites present in the polymer PVDF, reducing their efficiency as better polymer dielectrics.
Heutzutage haben Verbundwerkstoffe auf Polymerbasis große Bedeutung im Bereich der Polymerdielektrika als Energiespeichermaterialien, da sie die Nachteile dielektrischer/ferroelektrischer Keramiken ausgleichen können. Isolierende ferroelektrische Polymere, die mit leitenden Füllstoffen/ferroelektrischen keramischen Füllstoffen verstärkt sind, können eine hohe Dielektrizitätskonstante mit einem niedrigen Verlusttangens erreichen. Die Entwicklung verschiedener Polymerverbundwerkstoffe für die Energiespeicherung und andere Anwendungen kann aus den verschiedenen Berichten zum Stand der Technik entnommen werden.Today, polymer-based composites are of great importance in the field of polymer dielectrics as energy storage materials, since they can overcome the disadvantages of dielectric/ferroelectric ceramics. Insulating ferroelectric polymers reinforced with conductive fillers/ferroelectric ceramic fillers can achieve high dielectric constant with low loss tangent. The development of various polymer composites for energy storage and other applications can be gleaned from the various prior art reports.
In einer Lösung aus dem Stand der Technik (
In einer anderen Lösung aus dem Stand der Technik (
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In Anbetracht der vorstehenden Ausführungen wird deutlich, dass ein System zur Entwicklung verbesserter ferroelektrischer Polymer-Dielektrika auf der Basis von PVDF-Metall/PVDF-Keramik-Verbundwerkstoffen/Nanokompositen erforderlich ist.In view of the foregoing, it is clear that a system is needed to develop improved ferroelectric polymer dielectrics based on PVDF-metal/PVDF-ceramic composites/nanocomposites.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION
Die vorliegende Offenlegung zielt darauf ab, ein System zur Entwicklung eines dielektrischen Materials mit hoher Dielektrizitätskonstante und geringer Leckage bereitzustellen, das aus ferroelektrischen Polymeren für Kondensatoren und Energiespeicher besteht.The present disclosure aims to provide a system for developing a high-k and low-leakage dielectric material composed of ferroelectric polymers for capacitors and energy storage devices.
In einer Ausführungsform wird ein System zur Entwicklung verbesserter ferroelektrischer Polymer-Dielektrika auf Polymerbasis aus PVDF-Metall/PVDF-Keramik-Verbundwerkstoffen offenbart. Das System umfasst einen Achatmörser und -stößel zum Mischen einer Mischung aus ferroelektrischem Polymer und metallischen Füllstoffen/Keramikfüllstoffen für etwa 2 Stunden. Das System umfasst ferner eine hydraulische Presse zum Pressen des in eine Matrize gegossenen Mischungspulvers zur Herstellung einer Vielzahl von Proben der Pulvermischung in Form von Pellets unter Verwendung eines Kaltpressverfahrens bei Raumtemperatur zur Entwicklung von Polymer-Dielektrika.In one embodiment, a system for developing improved polymer-based ferroelectric polymer dielectrics from PVDF-metal/PVDF-ceramic composites is disclosed. The system includes an agate mortar and pestle for mixing a mixture of ferroelectric polymer and metallic/ceramic fillers for about 2 hours. The system further includes a hydraulic press for compressing the mixture powder poured into a die to produce a plurality of samples of the powder mixture in the form of pellets using a room temperature cold pressing process to develop polymer dielectrics.
In einer anderen Ausführungsform wird die Pulvermischung durch eine Matrize/Stempel gegossen und mit einem Druck von 10 MPa - 30 MPa durch die hydraulische Presse für 10 Minuten bei Raumtemperatur gepresst, um die Vielzahl von Proben in Form von Pellets mit einem Durchmesser von 12 mm und einer Dicke von etwa 1 mm - 2 mm herzustellen.In another embodiment, the powder mixture is poured through a die/punch and pressed at a pressure of 10 MPa - 30 MPa by the hydraulic press for 10 minutes at room temperature to obtain the plurality of samples in the form of pellets with a diameter of 12 mm and a thickness of about 1 mm - 2 mm.
In einer anderen Ausführungsform hält der Prozess des Kaltpressens die vorhandenen Sphärolithe der ferroelektrischen Polymere, z.B. PVDF und auch in ihren Verbundwerkstoffen, am Leben, wodurch effektiv höhere Ladungsspeicher an diesen natürlichen sphärolitischen Grenzflächen entstehen, während das Auftreten des Verlustes von Polymer-Sphärolithe von PVDF durch herkömmliches Heißpressen nachgewiesen wird, was darauf hindeutet, dass das Heißpressen weniger effektiv ist als das gegenwärtig berichtete Verfahren.In another embodiment, the cold pressing process keeps the existing spherulites of the ferroelectric polymers, e.g. PVDF and also in their composites, alive, effectively creating higher charge storage at these natural spherulitic interfaces while sustaining the occurrence of polymer spherulite loss from PVDF conventional hot pressing is demonstrated, suggesting that hot pressing is less effective than the currently reported method.
In einer anderen Ausführungsform wurde die wirksame Rolle der Polymer-Sphärolithe der ferroelektrischen Polymere bei der Speicherung elektrischer Ladungen durch die Verwendung eines ferroelektrischen Polymers [Polyvinylidenfluorid (PVDF)] und eines nicht-ferroelektrischen Polymers [Polyethylen niedriger Dichte (LDPE)] nachgewiesen.In another embodiment, the effective role of the polymer spherulites of ferroelectric polymers in storing electrical charges was demonstrated through the use of a ferroelectric polymer [polyvinylidene fluoride (PVDF)] and a non-ferroelectric polymer [low density polyethylene (LDPE)].
In einer anderen Ausführungsform werden hochreine (99,9 %) metallische Füllstoffe/keramische Füllstoffe ausgewählt, z. B. Metallpulver einschließlich Nickel (Ni) mit einer anfänglichen Teilchengröße von ~10 µm - 20 µm und nanokristallines Ni (n-Ni) mit einer Teilchengröße von ~20 nm - 30 nm und die keramischen Füllstoffe aus Nano-BaTiO3 (n-BaTiO3) mit einer Teilchengröße < 100 nm für die Herstellung der Polymer-Nanoverbundstoffe.In another embodiment, high purity (99.9%) metallic/ceramic fillers are selected, e.g. B. Metal powders including nickel (Ni) with an initial particle size of ~10 µm - 20 µm and nanocrystalline Ni (n-Ni) with a particle size of ~20 nm - 30 nm and the nano-BaTiO3 (n-BaTiO3) ceramic fillers with a particle size < 100 nm for the production of polymer nanocomposites.
In einer anderen Ausführungsform werden die PVDF/n-Ni-Polymer-Nanoverbundstoffe und die PVDF/n-BaTi03-Polymer-Nanoverbundstoffe so verarbeitet, dass die Proben ein höheres Maß an Homogenität aufweisen und in Bezug auf die Temperaturen stabilisiert sind.In another embodiment, the PVDF/n-Ni polymer nanocomposites and the PVDF/n-
In einer anderen Ausführungsform wird die Verarbeitung zur Blockierung einer zusammenhängenden Netzwerkbildung der leitenden Füllstoffe/keramischen Füllstoffe demonstriert, um eine Blockierung der kontinuierlichen leitenden Pfade der leitenden Füllstoffe oder des kontinuierlichen Netzwerks der keramischen Füllstoffe in der Basispolymermatrix herzustellen.In another embodiment, processing to block a continuous network formation of the conductive/ceramic fillers is demonstrated to produce a blockage of the continuous conductive paths of the conductive fillers or the continuous network of ceramic fillers in the base polymer matrix.
Ein Ziel der vorliegenden Offenbarung ist die Herstellung von Hochleistungs-Polymer-Dielektrika aus Polymer-Nanokompositen, die aus ferroelektrischem Polymer PVDF und metallischen Nanofüllern/ferroelektrischen keramischen Nanofüllern bestehen.An objective of the present disclosure is the fabrication of high performance polymer dielectrics from polymer nanocomposites composed of ferroelectric polymer PVDF and metal nanofillers/ferroelectric ceramic nanofillers.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Offenlegung ist es, die vorhandenen Sphärolithe der ferroelektrischen Polymere und ihrer Komposite am Leben zu erhalten und eine höhere Ladungsspeicherung an diesen natürlichen Grenzflächen zu ermöglichen.Another object of the present disclosure is to keep the existing spherulites of the ferroelectric polymers and their composites alive and allow for higher charge storage at these natural interfaces.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein schnelles und kostengünstiges System für die Entwicklung verbesserter ferroelektrischer Polymer-Dielektrika auf Basis von PVDF-Metall/PVDF-Keramik-Verbundwerkstoffen bereitzustellen.Another object of the present invention is to provide a rapid and inexpensive system for the development of improved ferroelectric polymer dielectrics based on PVDF-metal/PVDF-ceramic composites.
Zur weiteren Verdeutlichung der Vorteile und Merkmale der vorliegenden Offenbarung wird eine genauere Beschreibung der Erfindung durch Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen gegeben, die in den beigefügten Figuren dargestellt sind. Es wird davon ausgegangen, dass diese Figuren nur typische Ausführungsformen der Erfindung darstellen und daher nicht als Einschränkung des Umfangs der Erfindung zu betrachten sind. Die Erfindung wird mit zusätzlicher Spezifität und Detail mit den beigefügten Figuren beschrieben und erläutert werden.In order to further clarify the advantages and features of the present disclosure, a more detailed description of the invention is provided by reference to specific embodiments that are illustrated in the accompanying figures. It is understood that these figures represent only typical embodiments of the invention and therefore should not be considered as limiting the scope of the invention. The invention will be described and illustrated with additional specificity and detail with the accompanying figures.
Figurenlistecharacter list
Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden besser verstanden, wenn die folgende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren gelesen wird, in denen gleiche Zeichen gleiche Teile in den Figuren darstellen, wobei:
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1 zeigt ein Blockdiagramm eines Systems zur Entwicklung verbesserter ferroelektrischer Polymer-Dielektrika auf Polymerbasis aus PVDF-Metall/PVDF-Keramik-Verbundwerkstoffen/Nanokompositen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung; -
2 zeigt einen Vergleich von FESEM-Bildern von kaltgepresstem reinem PVDF, die Sphärolithe und die ausgezeichneten Grenzflächen zwischen ihnen zeigen, mit heißgepresstem PVDF, dass keine Sphärolithe und Grenzflächen aufweist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung; -
3 zeigt einen Vergleich von FESEM-Bildern von kaltgepresstem reinem LDPE und heißgeformtem LDPE, die das Nichtvorhandensein von Sphärolithen und Grenzflächen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigen; -
4 zeigt einen Vergleich des dielektrischen Verhaltens von reinem PVDF, das durch Kalt- und Heißpressen hergestellt wurde und im Einschub: Sphärolithe aus kaltgepresstem PVDF gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung; -
5 zeigt FESEM-Bilder von kaltgepressten PVDF/Nanonickel-Verbundwerkstoffen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung; -
6 zeigt FESEM-Bilder von kaltgepresstem reinem PVDF und PVDF/n-BaTi03-Nanokompositen in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung; -
7 zeigt die Veränderung der relativen Kristallinität von reinem PVDF (a) Röntgendiffraktometrische Daten von kaltgepressten und heißgepressten Proben, und im Einschub: Größere Ansicht, die die Veränderung der kristallinen Peakfläche zeigt (b) FTIR-Daten von Kalt- und Heißpressproben in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung; -
8 zeigt Differential-Scanning-Kalorimetrie (DSC) Diagramme der kaltgepressten PVDF/n-Ni-Verbundwerkstoffe, die ihre Stabilität mit steigender Temperatur in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigen; -
9 zeigt mikroskopische Aufnahmen von kaltgepresstem reinem PVDF und PVDF/µ-Ni-Verbundwerkstoffen mit unterschiedlichen fcon Werten gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung; -
10 zeigt mikroskopische Aufnahmen von heißgeformtem reinem PVDF und PVDF/µ-Ni-Verbundwerkstoffen mit unterschiedlichem fcon gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung; -
11 zeigt mikroskopische Aufnahmen von kaltgepresstem reinem PVDF und PVDF/n-Ni-Verbundwerkstoffen mit unterschiedlichen fcon Werten gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung; und -
12 zeigt mikroskopische Aufnahmen der Verbundstoffe, die verschiedenen fcon von heißgeformten PVDF/n-Ni-Verbundstoffen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung entsprechen.
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1 Figure 12 shows a block diagram of a system for developing improved polymer-based ferroelectric polymer-dielectrics from PVDF-metal/PVDF-ceramic composites/nanocomposites according to an embodiment of the present disclosure; -
2 12 shows a comparison of FESEM images of cold-pressed virgin PVDF showing spherulites and the excellent interfaces between them, with hot-pressed PVDF showing no spherulites and interfaces, according to an embodiment of the present disclosure; -
3 12 shows a comparison of FESEM images of cold-pressed virgin LDPE and hot-formed LDPE showing the absence of spherulites and interfaces according to an embodiment of the present disclosure; -
4 12 shows a comparison of the dielectric behavior of virgin PVDF prepared by cold and hot pressing and in inset: spherulites from cold pressed PVDF according to an embodiment of the present disclosure; -
5 12 shows FESEM images of cold-pressed PVDF/nano-nickel composites according to an embodiment of the present disclosure; -
6 12 shows FESEM images of cold-pressed bare PVDF and PVDF/n-BaTiO 3 nanocomposites, in accordance with an embodiment of the present disclosure; -
7 shows the change in relative crystallinity of pure PVDF (a) X-ray diffraction data from cold-pressed and hot-pressed samples, and in the inset: larger view showing the change in crystalline peak area (b) FTIR data from cold- and hot-pressed samples in accordance with one embodiment the present disclosure; -
8th Figure 12 shows differential scanning calorimetry (DSC) plots of cold-pressed PVDF/n-Ni composites showing their stability with increasing temperature, in accordance with an embodiment of the present disclosure; -
9 12 shows photomicrographs of cold-pressed virgin PVDF and PVDF/μ-Ni composites with different f con values according to an embodiment of the present disclosure; -
10 12 shows photomicrographs of hot-formed virgin PVDF and PVDF/µ-Ni composites with different f con according to an embodiment of the present disclosure; -
11 12 shows photomicrographs of cold-pressed virgin PVDF and PVDF/n-Ni composites with different f con values according to an embodiment of the present disclosure; and -
12 12 shows photomicrographs of composites corresponding to different f con of hot-formed PVDF/n-Ni composites according to an embodiment of the present disclosure.
Der Fachmann wird verstehen, dass die Elemente in den Figuren der Einfachheit halber dargestellt sind und nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet wurden. Die Flussdiagramme veranschaulichen beispielsweise das Verfahren anhand der wichtigsten Schritte, um das Verständnis der Aspekte der vorliegenden Offenbarung zu verbessern. Darüber hinaus kann es sein, dass eine oder mehrere Komponenten der Vorrichtung in den Figuren durch herkömmliche Symbole dargestellt sind, und dass die Figuren nur die spezifischen Details zeigen, die für das Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung relevant sind, um die Figuren nicht mit Details zu überfrachten, die für Fachleute, die mit der vorliegenden Beschreibung vertraut sind, leicht erkennbar sind.Those skilled in the art will understand that the elements in the figures are presented for simplicity and are not necessarily drawn to scale. For example, the flow charts illustrate the method of key steps to enhance understanding of aspects of the present disclosure. Furthermore, one or more components of the device may be represented in the figures by conventional symbols, and the figures only show the specific details relevant to an understanding of the embodiments of the present disclosure to avoid deleting the figures with details to overload, which are easily recognizable to those skilled in the art familiar with the present description.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG:DETAILED DESCRIPTION:
Um das Verständnis der Erfindung zu fördern, wird nun auf die in den Figuren dargestellte Ausführungsform Bezug genommen und diese mit bestimmten Worten beschrieben. Es versteht sich jedoch von selbst, dass damit keine Einschränkung des Umfangs der Erfindung beabsichtigt ist, wobei solche Änderungen und weitere Modifikationen des dargestellten Systems und solche weiteren Anwendungen der darin dargestellten Grundsätze der Erfindung in Betracht gezogen werden, wie sie einem Fachmann auf dem Gebiet der Erfindung normalerweise einfallen würden.For the purposes of promoting an understanding of the invention, reference will now be made to the embodiment illustrated in the figures and specific language will be used to describe the same. It should be understood, however, that no limitation on the scope of the invention is intended, and such alterations and further modifications to the illustrated system and such further applications of the principles of the invention set forth therein are contemplated as would occur to those skilled in the art invention would normally come to mind.
Der Fachmann wird verstehen, dass die vorstehende allgemeine Beschreibung und die folgende detaillierte Beschreibung beispielhaft und erläuternd für die Erfindung sind und nicht als einschränkend angesehen werden.Those skilled in the art will understand that the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and explanatory of the invention and are not to be taken as limiting.
Wenn in dieser Beschreibung von „einem Aspekt“, „einem anderen Aspekt“ oder ähnlichem die Rede ist, bedeutet dies, dass ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur oder eine bestimmte Eigenschaft, die im Zusammenhang mit der Ausführungsform beschrieben wird, in mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthalten ist. Daher können sich die Ausdrücke „in einer Ausführungsform“, „in einer anderen Ausführungsform“ und ähnliche Ausdrücke in dieser Beschreibung alle auf dieselbe Ausführungsform beziehen, müssen es aber nicht.When this specification refers to "an aspect," "another aspect," or the like, it means that a particular feature, structure, or characteristic described in connection with the embodiment is present in at least one embodiment included in the present disclosure. Therefore, the phrases "in one embodiment," "in another embodiment," and similar phrases throughout this specification may or may not all refer to the same embodiment.
Die Ausdrücke „umfasst“, „enthaltend“ oder andere Variationen davon sollen eine nicht ausschließliche Einbeziehung abdecken, so dass ein Verfahren oder eine Methode, die eine Liste von Schritten umfasst, nicht nur diese Schritte umfasst, sondern auch andere Schritte enthalten kann, die nicht ausdrücklich aufgeführt sind oder zu einem solchen Verfahren oder einer solchen Methode gehören. Ebenso schließen eine oder mehrere Vorrichtungen oder Teilsysteme oder Elemente oder Strukturen oder Komponenten, die mit „umfasst...a“ eingeleitet werden, nicht ohne weitere Einschränkungen die Existenz anderer Vorrichtungen oder anderer Teilsysteme oder anderer Elemente oder anderer Strukturen oder anderer Komponenten oder zusätzlicher Vorrichtungen oder zusätzlicher Teilsysteme oder zusätzlicher Elemente oder zusätzlicher Strukturen oder zusätzlicher Komponenten aus.The terms "comprises," "including," or other variations thereof are intended to cover non-exclusive inclusion such that a method or method that includes a list of steps includes not only those steps, but may also include other steps that are not expressly stated or pertaining to any such process or method. Likewise, any device or subsystem or element or structure or component preceded by "comprises...a" does not, without further limitation, exclude the existence of other devices or other subsystem or other element or other structure or other component or additional device or additional subsystems or additional elements or additional structures or additional components.
Sofern nicht anders definiert, haben alle hierin verwendeten technischen und wissenschaftlichen Begriffe die gleiche Bedeutung, wie sie von einem Fachmann auf dem Gebiet, zu dem diese Erfindung gehört, allgemein verstanden wird. Das System, die Methoden und die Beispiele, die hier angegeben werden, dienen nur der Veranschaulichung und sind nicht als Einschränkung gedacht.Unless otherwise defined, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one skilled in the art to which this invention pertains. The system, methods, and examples provided herein are for purposes of illustration only and are not intended to be limiting.
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren im Detail beschrieben.Embodiments of the present disclosure are described in detail below with reference to the attached figures.
In einer Ausführungsform ist eine hydraulische Presse 104 mechanisch mit dem Achatmörser 100 und dem Stößel 102 verbunden, um das in eine Matrize/Stempel 106 gegossene Pulvergemisch zu pressen, um eine Vielzahl von Proben des Pulvergemischs in Form von Pellets unter Verwendung eines Kaltpressverfahrens bei Raumtemperatur für die Entwicklung von Polymer-Dielektrika herzustellen.In one embodiment, a
In einer anderen Ausführungsform wird die Pulvermischung durch eine Matrize/Stempel 106 gegossen und mit einem Druck von 10 MPa - 30 MPa durch die hydraulische Presse 104 für 10 Minuten bei Raumtemperatur gepresst, um die Vielzahl von Proben in Form von Pellets mit einem Durchmesser von 12 mm und einer Dicke von etwa 1 mm - 2 mm herzustellen.In another embodiment, the powder mixture is poured through a die/
In einer anderen Ausführungsform hält der Prozess des Kaltpressens die vorhandenen Sphärolithe der ferroelektrischen Polymere und auch ihrer Verbundwerkstoffe am Leben, was eine höhere Ladungsspeicherung an diesen natürlichen Grenzflächen bewirkt.In another embodiment, the cold-pressing process keeps alive the existing spherulites of the ferroelectric polymers and also their composites, causing higher charge storage at these natural interfaces.
In einer anderen Ausführungsform wurde die wirksame Rolle der Polymer-Sphärolithe der ferroelektrischen Polymere bei der Speicherung elektrischer Ladungen durch die Verwendung eines ferroelektrischen Polymers [Polyvinylidenfluorid (PVDF)] und eines nicht-ferroelektrischen Polymers [Polyethylen niedriger Dichte (LDPE)] nachgewiesen.In another embodiment, the effective role of the polymer spherulites of ferroelectric polymers in storing electrical charges was demonstrated through the use of a ferroelectric polymer [polyvinylidene fluoride (PVDF)] and a non-ferroelectric polymer [low density polyethylene (LDPE)].
In einer anderen Ausführungsform werden hochreine (99,9 %) metallische Füllstoffe/keramische Füllstoffe ausgewählt, z.B. Metallpulver einschließlich Nickel (Ni) mit einer anfänglichen Teilchengröße von ~10 µm - 20 µm) und nanokristallines Ni (n-Ni) mit einer Teilchengröße von ~20 nm - 30 nm sowie keramische Füllstoffe aus Nano-BaTiO3 (n-BaTiO3) mit einer Teilchengröße < 100 nm für die Herstellung von Polymerverbundwerkstoffen.In another embodiment, high purity (99.9%) metallic/ceramic fillers are selected, eg, metal powders including nickel (Ni) with an initial particle size of ~10 µm - 20 µm) and nanocrystalline Ni (n-Ni) with a particle size of ~20 nm - 30 nm as well as ceramic fillers made of nano-BaTiO3 (n-BaTiO3) with a particle size < 100 nm for the production of polymer composites.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Verarbeitung zur Herstellung von PVDF/n-Ni-Polymer-Nanokompositen und PVDF/n-BaTi03-Polymer-Nanokompositen mit einem höheren Maß an Homogenität und temperaturstabilisierten Proben demonstriert.In another embodiment, processing to produce PVDF/n-Ni polymer nanocomposites and PVDF/n-
In einer anderen Ausführungsform wird die Verarbeitung zur Blockierung einer zusammenhängenden Netzwerkbildung der leitenden Füllstoffe/keramischen Füllstoffe demonstriert, um eine Blockierung der kontinuierlichen leitenden Pfade der leitenden Füllstoffe oder des kontinuierlichen Netzwerks der keramischen Füllstoffe in der Basispolymermatrix herzustellen.In another embodiment, processing to block a continuous network formation of the conductive/ceramic fillers is demonstrated to produce a blockage of the continuous conductive paths of the conductive fillers or the continuous network of ceramic fillers in the base polymer matrix.
Ein Ziel der vorliegenden Offenbarung ist die Herstellung von Hochleistungs-Polymer-Dielektrika aus Polymer-Nanokompositen, die aus ferroelektrischem Polymer PVDF und metallischen Nanofüllern/ferroelektrischen keramischen Nanofüllern bestehen.An objective of the present disclosure is the fabrication of high performance polymer dielectrics from polymer nanocomposites composed of ferroelectric polymer PVDF and metal nanofillers/ferroelectric ceramic nanofillers.
In einer anderen Ausführungsform werden die metallischen Füllstoffe aus Nano-Ni-Metallteilchen etwa 2 Stunden lang mit dem PVDF gemischt und die mehreren Proben unter Verfestigung bei Raumtemperatur und einem Druck von 10 MPa-30 MPa mit der hydraulischen Presse 104 in Form von Pellets mit einem Durchmesser von 11 mm und einer Dicke von 1,5 mm entnommen.In another embodiment, the metallic fillers of nano-Ni metal particles are mixed with the PVDF for about 2 hours and the multiple samples are compacted at room temperature and a pressure of 10 MPa-30 MPa with the
In einer anderen Ausführungsform werden die keramischen Füllstoffe aus n-BaTiO3 (Aldrich) mit einer Teilchengröße < 100 nm mit dem PVDF bei unterschiedlichen Volumenanteilen von n-BaTiO3[fBaTiO3] für 2 Std. gemischt und die Vielzahl von Proben in Form von Pellets unter Raumtemperaturverfestigung bei einem Druck von 10 MPa - 30 MPa unter Verwendung der hydraulischen Presse 104 genommen.In another embodiment, the ceramic fillers made of n-BaTiO3 (Aldrich) with a particle size <100 nm are mixed with the PVDF at different volume fractions of n-BaTiO3[f BaTiO3 ] for 2 hours and the large number of samples in the form of pellets Room temperature consolidation taken at a pressure of 10 MPa - 30 MPa using
Flexible ferroelektrische Polymer-Nanokomposite (PNC) mit hoher Dielektrizitätskonstante sind die neuesten Materialien, die derzeit entwickelt werden und deren Kommerzialisierung erforderlich ist. Die Einbindung von leitenden Nanofüllstoffen wie Metallnanopulver, ferroelektrischen Keramiknanopulvern, Kohlenstoffnanoröhren, Graphen, Graphit, Ruß, anderen Kohlenstoffnanostrukturen usw. in eine ferroelektrische Polymermatrix, z. B. PVDF, ist die gängige Entwicklungsmethode, wenn es um die Entwicklung von Polymer-Dielektrika geht.Flexible high-dielectric-constant ferroelectric polymer nanocomposites (PNC) are the latest materials under development that require commercialization. The incorporation of conductive nanofillers such as metal nanopowders, ferroelectric ceramic nanopowders, carbon nanotubes, graphene, graphite, carbon black, other carbon nanostructures, etc. into a ferroelectric polymer matrix, e.g. B. PVDF, is the common development method when it comes to the development of polymer dielectrics.
Bei der Entwicklung dieser PNC ist das Heißgießen der Polymer/Füllstoff-Mischung das herkömmliche Verfahren, bei dem sich die Wissenschaftler auf die Art der Füllstoffe konzentrieren, um mehr Grenzflächen in den PNC zu schaffen und die Dielektrizitätskonstante der PNC für ihre Anwendungen als dielektrische Materialien in Kondensatoren und anderen elektronischen Gehäusen zu erhöhen. Bei der konventionellen Heißverformung kommt es durch das Schmelzen des Polymers zu einer Agglomeration der Füllstoffe, und das kontinuierliche Netzwerk aus leitenden Füllstoffen in der Matrix führt zur Bildung durchgehender leitender Pfade, wodurch die Eigenschaft der Speicherung elektrischer Ladung verloren geht und die Probe sehr heterogen/leitend wird. Einige der interessanten PNC für Energiespeicheranwendungen, die durch das herkömmliche Heißgießverfahren hergestellt werden, können wie folgt aufgelistet werden. Mit dem Ziel, hochdielektrische Materialien zu entwickeln, wurden auch nicht-ferroelektrische PNC auf Polymerbasis getestet. Ferroelektrische Polymere, z. B. PVDF-basierte Polymer-Keramik aus PVDF/BaTiO3-Verbundwerkstoffen, wurden mit dem Ziel hergestellt, hochdielektrische Materialien zu entwickeln. Ferroelektrische Polymere, PVDF-basierte organische und anorganische (Metall-/Kohlenstoffstrukturen) perkolative PNC wurden ebenfalls mit dem Ziel der Entwicklung hochdielektrischer Materialien hergestellt.In developing these PNCs, hot casting of the polymer/filler mixture is the traditional process, with scientists focusing on the type of fillers to create more interfaces in the PNC and improve the dielectric constant of the PNC for their applications as dielectric materials in Increase capacitors and other electronic packages. In conventional hot forming, the melting of the polymer causes the fillers to agglomerate and the continuous network of conductive fillers in the matrix results in the formation of continuous conductive paths, thereby losing the property of storing electric charge and making the sample very heterogeneous/conductive will. Some of the interesting PNC for energy storage applications manufactured by the traditional hot casting process can be listed as follows. With the aim of developing high-dielectric materials, non-ferroelectric polymer-based PNCs were also tested. Ferroelectric polymers, e.g. B. PVDF-based polymer-ceramics from PVDF/BaTiO3 composite materials were produced with the aim of developing high-dielectric materials. Ferroelectric polymers, PVDF-based organic and inorganic (metal/carbon structures) percolative PNC have also been fabricated with the aim of developing high dielectric materials.
Mit dem Ziel, diese Netze leitender Füllstoffe durch eine isolierende Schicht des Polymers blockiert zu halten und die Homogenität der Proben aufrechtzuerhalten, wodurch ihre Fähigkeit, die elektrische Ladung zu speichern, erhöht wird, muss daher ein neues Verfahren zur Entwicklung von Polymerverbundwerkstoffen entwickelt werden. Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von dielektrischen Hoch-K-PolymerMaterialien, bei denen die Sphärolithe dieser ferroelektrischen Polymere, die aus PVDF/n-Ni, PVDF/µ-Nί und PVDF/n-BaTiO3 bestehen, durch das Kaltpressverfahren erhalten bleiben. Die einzelnen Schritte werden im Folgenden beschrieben.Therefore, with the aim of keeping these networks of conductive fillers blocked by an insulating layer of the polymer and maintaining the homogeneity of the samples, thereby increasing their ability to store the electric charge, a new method for the development of polymer composites has to be developed. The present invention relates to the production of high-K dielectric polymer materials in which the spherulites of these ferroelectric polymers, which consist of PVDF/n-Ni, PVDF/µ-Nί and PVDF/n-BaTiO3, are retained by the cold pressing process. The individual steps are described below.
Schritt 1: Die Polymere, Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyethylen niedriger Dichte (LDPE) und hochreine (99,9 %) Metallpulver wie Nickel (Ni) mit einer anfänglichen Teilchengröße von ~(10 µm -20 µm), werden von Alfa Assar bezogen.Step 1: The polymers, polyvinylidene fluoride (PVDF), low density polyethylene (LDPE) and high purity (99.9%) metal powders such as nickel (Ni) with an initial particle size of ~(10 µm -20 µm) are sourced from Alfa Assar .
Schritt 2: Das gekaufte Ni (m-Ni) wird ebenfalls 60 Stunden lang gemahlen, um nanokristallines Ni (n-Ni) mit einer Partikelgröße von ~20 nm-30 nm zu erhalten. Das Mahlen wurde in Toluol und Wolframkarbid-Fräsmedien durchgeführt, wobei das Gewichtsverhältnis von Kugel zu Pulver 10:1 bei einer Fräsgeschwindigkeit von 300 U/min betrug.Step 2: The purchased Ni(m-Ni) is also milled for 60 hours to obtain nanocrystalline Ni(n-Ni) with particle size ~20nm-30nm. Milling was performed in toluene and tungsten carbide milling media, using the Ball to powder weight ratio was 10:1 at a milling speed of 300 rpm.
Schritt 3: Das polymere PVDF und die gekauften Ni-Metallpartikel werden durch Mischen mit einem Achatmörtel/-stößel 2 Stunden lang vermischt, und die endgültigen Proben werden in Form von Pellets bei Raumtemperatur unter einem Druck von 30 MPa mit Hilfe einer hydraulischen Presse 104 in Form von Pellets mit einem Durchmesser von 11 mm und einer Dicke von 1,5 mm unter einem Druck von 8 MPa bei Raumtemperatur verfestigt.Step 3: The polymeric PVDF and the purchased Ni metal particles are mixed by mixing with an agate mortar/pestle for 2 hours and the final samples are pressed in the form of pellets at room temperature under a pressure of 30 MPa using a
Schritt 4: Die Pulver aus PVDF-Polymer und n-Ni-Metallpartikeln werden 2 Stunden lang mit einem Achatmörtel/-stößel gemischt, und die endgültigen Proben werden in Form von Pellets bei Raumtemperatur (300 K) unter einem Druck von 30 MPa mit Hilfe einer hydraulischen Presse 104 verfestigt, und zwar in Form von Pellets mit einem Durchmesser von 11 mm und einer Dicke von 1,5 mm unter einem Druck von 8 MPa bei Raumtemperatur.Step 4: The powders of PVDF polymer and n-Ni metal particles are mixed with an agate mortar/pestle for 2 hours and the final samples are pelletized at room temperature (300K) under a pressure of 30 MPa with the help a
Schritt 5: Die Kompositpulver aus PVDF (Alfa Assar) und n-BaTiO3 (Aldrich) mit einer Partikelgröße < 100 nm werden mit unterschiedlichen Volumenanteilen von n-BaTiO3[fBaTiO3] durch 2-stündiges Mischen mit Achatmörtel/-stößel hergestellt, und die endgültigen Proben werden in Form von Pellets bei Raumtemperatur unter einem Druck von 30 MPa mit Hilfe einer Hydraulikpresse 104 verfestigt.Step 5: The composite powders of PVDF (Alfa Assar) and n-BaTiO3 (Aldrich) with a particle size < 100 nm are prepared with different volume fractions of n-BaTiO3[f BaTiO3 ] by mixing for 2 hours with an agate mortar/pestle, and the Final samples are consolidated in the form of pellets at room temperature under a pressure of 30 MPa using a
Schritt 6: Pulver aus PVDF/n-Ni und LDPE/n-Ni wurden mit Hilfe von Mörser und Stößel 2 Stunden lang gemischt und die gemischten Pulver wurden mit dem konventionellen Verfahren bei einer Temperatur von 200 °C bzw. 130 °C (oberhalb der Schmelztemperatur der Polymere) bei einem Druck von 10 MPa heiß geformt. Es wurden mehrere Proben mit einem Durchmesser von 13 mm und einer Dicke von 1,6 mm hergestellt, um dem Wert von fc so nahe wie möglich zu kommen.Step 6: Powders of PVDF/n-Ni and LDPE/n-Ni were mixed for 2 hours using a mortar and pestle, and the mixed powders were heated by the conventional method at a temperature of 200°C and 130°C (above the melting temperature of the polymers) hot molded at a pressure of 10 MPa. Several samples with a diameter of 13 mm and a thickness of 1.6 mm were prepared in order to get as close as possible to the value of fc.
Die statische Dielektrizitätskonstante von ∼300-2000 mit einem verringerten Verlusttangens von ~0.05-10 eröffnet die Anwendbarkeit dieser Materialien, die durch den aktuellen Prozess hergestellt wurden, als Materialien für elektronische Gehäuse.The static dielectric constant of ∼300-2000 with a reduced loss tangent of ~0.05-10 opens the applicability of these materials made by the current process as electronic packaging materials.
Das entwickelte System erleichtert die Herstellung von mit Nanonickel verstärktem ferroelektrischem Polymer, z.B. PVDF, unter Vermeidung einer nicht-ferroelektrischen Polymermatrix, was zu einem stabilen Polymer-Nanokomposit mit sehr hoher Dielektrizitätskonstante und niedrigem Verlusttangens führt. Das Nanokomposit wird durch Kaltpressen der mechanisch gemischten PVDF- und Nano-Ni-Pulver mit Hilfe eines Achatmörsers 100 und eines Stößels 102 hergestellt. Das entwickelte System führt zu sehr homogenen Proben. Das entwickelte System ergibt ein Polymer-Nanokomposit mit höheren Grenzflächen, sowohl künstlich als auch natürlich, mit höherer Ladungsspeicherfähigkeit, was zu besseren Polymer-Dielektrika führt. Mit dem entwickelten System erhält man ein Polymer-Dielektrikum mit einer hohen Dielektrizitätskonstante und einem niedrigen Verlusttangens, das sich für Kondensatoranwendungen eignet.The developed system facilitates the fabrication of nanonickel-reinforced ferroelectric polymer, e.g. PVDF, while avoiding a non-ferroelectric polymer matrix, resulting in a stable polymer nanocomposite with very high dielectric constant and low loss tangent. The nanocomposite is made by cold pressing the mechanically mixed PVDF and nano-Ni powders using an
Verwendete Abkürzungen:Used abbreviations:
- PVDF : Poly(vinylidenfluorid)PVDF : Poly(vinylidene fluoride)
- LDPE : Polyethylen niedriger DichteLDPE : Low Density Polyethylene
- PNC : Polymer-NanokompositePNC : polymer nanocomposites
- PD : Polymere DielektrikaPD : Polymer Dielectrics
Das System wird an mehr als 200 Proben getestet. Die Polymerkompositmischung auf der Basis von PVDF-Polymer, die 10-15 Minuten lang bei Raumtemperatur unter einem Druck von 10 MPa bis 30 MPa gehalten wird, entwickelt bessere Polymerdielektrika als die herkömmlichen heißgeformten Polymerdielektrika.The system is tested on more than 200 samples. The polymer composite mixture based on PVDF polymer, which is kept at room temperature under a pressure of 10 MPa to 30 MPa for 10-15 minutes, develops better polymer dielectrics than the conventional hot-molded polymer dielectrics.
Die Figuren und die vorangehende Beschreibung geben Beispiele für Ausführungsformen. Der Fachmann wird verstehen, dass eines oder mehrere der beschriebenen Elemente durchaus zu einem einzigen Funktionselement kombiniert werden können. Alternativ dazu können bestimmte Elemente in mehrere Funktionselemente aufgeteilt werden. Elemente aus einer Ausführungsform können einer anderen Ausführungsform hinzugefügt werden. Die Reihenfolge der hier beschriebenen Prozesse kann beispielsweise geändert werden und ist nicht auf die hier beschriebene Weise beschränkt. Darüber hinaus müssen die Aktionen eines Flussdiagramms nicht in der gezeigten Reihenfolge ausgeführt werden; auch müssen nicht unbedingt alle Aktionen durchgeführt werden. Auch können die Handlungen, die nicht von anderen Handlungen abhängig sind, parallel zu den anderen Handlungen ausgeführt werden. Der Umfang der Ausführungsformen ist durch diese spezifischen Beispiele keineswegs begrenzt. Zahlreiche Variationen sind möglich, unabhängig davon, ob sie in der Beschreibung explizit aufgeführt sind oder nicht, wie z. B. Unterschiede in der Struktur, den Abmessungen und der Verwendung von Materialien. Der Umfang der Ausführungsformen ist mindestens so groß wie in den folgenden Ansprüchen angegeben.The figures and the preceding description give examples of embodiments. Those skilled in the art will understand that one or more of the elements described may well be combined into a single functional element. Alternatively, certain elements can be broken down into multiple functional elements. Elements from one embodiment may be added to another embodiment. For example, the order of the processes described herein may be changed and is not limited to the manner described herein. Additionally, the actions of a flowchart need not be performed in the order shown; Also, not all actions have to be carried out. Also, the actions that are not dependent on other actions can be performed in parallel with the other actions. The scope of the embodiments is in no way limited by these specific examples. Numerous variations are possible, regardless of whether they are explicitly mentioned in the description or not, e.g. B. Differences in structure, dimensions and use of materials. The scope of the embodiments is at least as broad as indicated in the following claims.
Vorteile, andere Vorzüge und Problemlösungen wurden oben im Hinblick auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben. Die Vorteile, Vorzüge, Problemlösungen und Komponenten, die dazu führen können, dass ein Vorteil, ein Nutzen oder eine Lösung auftritt oder ausgeprägter wird, sind jedoch nicht als kritisches, erforderliches oder wesentliches Merkmal oder Komponente eines oder aller Ansprüche zu verstehen.Advantages, other benefits, and solutions to problems have been described above with respect to particular embodiments. However, the benefits, advantages, problem solutions, and components that can cause an advantage, benefit, or solution to occur or become more pronounced are not to be construed as a critical, required, or essential feature or component of any or all claims.
BezugszeichenlisteReference List
- 100100
- System zur Entwicklung verbesserter ferroelektrischer Polymer-Dielektrika auf Basis von PVDF-Metall/PVDF-Keramik-VerbundwerkstoffenSystem for the development of improved ferroelectric polymer dielectrics based on PVDF-metal/PVDF-ceramic composites
- 102102
- Ein Mörser und Stößel aus AchatAn agate mortar and pestle
- 104104
- Eine hydraulische PresseA hydraulic press
- 106106
- Eine Matrize/StempelA die/punch
- 402402
- Kaltpressecold press
- 404404
- Heißpressehot press
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- WO 2016142848 A1 [0004]WO 2016142848 A1 [0004]
- US 9556321 B2 [0005]US9556321B2 [0005]
- US 8729182 B2 [0006]US 8729182 B2 [0006]
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- US 7609504 B2 [0009]US7609504B2 [0009]
- US 9732175 B2 [0010]US 9732175 B2 [0010]
- US 9011627 B2 [0011]US9011627B2 [0011]
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