一种耐高温铁电聚合物基介电储能复合薄膜及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提出了一种耐高温铁电聚合物基介电储能复合薄膜及其制备方法和应用，针对SiC晶须的易渗流效应，本发明专利技术通过水解水热法制备了SiC@BaTiO3核壳复合填料，将SiC纳米颗粒完整包覆，抑制了渗流通路的形成；SiC的高热导率(114W/m.K)增强了复合膜的热传导特性，提高了复合膜的热稳定性；高介电常数BaTiO3外壳以及核壳粒子的界面极化效应增强了复合薄膜的介电常数；同时，绝缘特性的核壳填料，以及核壳填料的表面改性促进了填料与基材有机无机界面的兼容性，保持了较低的介电损耗；最终促使复合薄膜在120℃测试条件下均有较高的储能密度和击穿强度，提高了铁电聚合物工作温度范围。提高了铁电聚合物工作温度范围。提高了铁电聚合物工作温度范围。

【技术实现步骤摘要】
一种耐高温铁电聚合物基介电储能复合薄膜及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及陶瓷与铁电聚合物复合材料制备
，尤其涉及一种耐高温铁电聚合物基介电储能复合薄膜及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]静电电容器是一种储能器件，是电子电力系统中重要的组成元件，在混合动力汽车、新能源技术、柔直输电和井下油气勘探等新兴领域具有广泛的应用前景。制备高储能密度静电电容器的关键是要实现电介质层的高极化率(高介电常数)和高击穿场强。以铁电聚合物聚偏氟乙烯(PVDF)系列为基体，填充高介电陶瓷纳米填料的复合薄膜材料结合了聚合物高击穿场强和陶瓷高介电常数的优点，是理想的储能介质，成为材料、电气领域研究的热点。
[0003]然而，由于PVDF系列聚合物较低的热变形温度，使得此类复合材料随着工作温度的增加，热击穿场强和由于材料软化导致的机电击穿场强急剧下降，储能密度和效率迅速降低，内部温升进一步增加；同时由于聚合物极低的热导率，热量难以耗散，进一步加剧了热量累积和器件失效，严重限制了其在80℃以上工作环境的应用。
[0004]提高PVDF系列聚合物复合材料的热导率是提高其热击穿场强的重要措施。然而，在聚合物基的复合材料中同时获得高热导率和高介电常数，并维持低介电损耗仍然是一个很大的挑战。一方面，高介电常数的铁电金属氧化物陶瓷填料由于其本身较低的热导率和界面的声子散射，使得这一类复合材料的热导率很难提高；另一方面，将绝缘的导热纳米颗粒(如氮化硼、氧化铝纳米管或纳米片)作为填充剂制备的复合材料虽然获得了很高的热导率，但由于这一类填充剂的低极化率而限制了复合体系的介电常数。将接近渗流阈值的高导热导体粒子或纤维(如石墨烯、碳纳米管、Ag、Al等)分散到聚合物中可以大幅地提高材料的介电常数和导热系数，但是由于导体粒子的团聚和渗流效应，材料的电导率过高，致使击穿场强迅速下降，严重限制了其在高电压下的应用。
[0005]具体的，专利技术人检索了相关公开的文献信息，如下：
[0006]1.复合材料学报,2021,38(4):1087
‑
1097.
[0007]以15wt％十六烷基三甲基溴化铵改性碳化硅晶须(CTAB
‑
SiCw)和10wt％KH550改性纳米BaTiO3(BT)为填料，聚偏氟乙烯(PVDF)为成膜物质，通过溶液流延法制备了BT
‑
SiCw/PVDF三元复合薄膜。即频率f＝500Hz、介电常数εr
max
＝33、介电损耗tanδ
max
＝0.154。随着温度的升高，该试样的介电常数和介电损耗也逐渐增加，并在120℃达到最大值(f＝500Hz、εr
max
＝110、tanδ
max
＝1.3)。
[0008]2.Composites Science and Technology 162(2018)180
–
187
[0009]本文报道了一种由介质碳包覆钛酸钡杂化粒子(BT@C)、导热碳化硅纳米颗粒(SiC NPs)和柔性P(VDF
‑
HFP)组成的新型三组分复合材料。对于介电性能，BT@C
‑
2(50wt％)+7.8wt％SiC NPs/PVDF
‑
HFP的介电常数在1kHz时为1394，介电损耗tanδ为0.9。
[0010]3.Composites:Part A 74(2015)88
–
95
[0011]本文报道了一种SiC晶须、BaTiO3纳米颗粒与PVDF的三元复合薄膜。20vol％SiC晶须+15vol BaTiO3颗粒的复合薄膜100Hz下的介电常数为213.8,介电损耗为0.27。
[0012]4.ACS Appl.Mater.Interfaces 2011,3,4396
–
4403
[0013]本文报道了一种由PVDF、钛酸钡(BT)纳米粒子和β碳化硅(βSiC)晶须组成的三相复合材料。当β
‑
SiC晶须加载量为20.0vol％时，PVDF/β
‑
SiC和PVDF/(40vol％)BT/β
‑
SiC的损耗正切分别为1.46和0.34。
[0014]5.CN 107573645 A一种内置式高介电常数柔性树脂复合材料及其制备方法和应用,2017
[0015]该专利公开了一种内置式高介电常数柔性树脂复合材料及其制备方法和应用，该树脂复合材料由包括树脂基体与无机填料通过一定的工艺复合而成。本专利技术通过在树脂基体中引入纳米一维、二维以及纳米颗粒填料，通过各种填料之间的协同效应，进一步增加了介电填料之间的有效接触以及在电场作用下的耦合效应，从而获得高介电常数的柔性介电材料。实施例中引入0维纳米颗粒、1维纳米纤维或纳米线、2维纳米片与聚合物直接混合，获得高介电常数和低介电损耗的复合材料。
[0016]由此可见，SiC/BaTiO3/PVDF材料体系在介电材料领域具有很好的应用前景。然而以上文献均是两相或三相直接与铁电聚合物混合，并且由于晶须的渗流效应，尤其是SiC晶须的渗流效应，极易形成导电通路，使得上述体系尽管介电常数有较大提高，但介电损耗也较大(文献1
‑
4)，不适用于储能介质，更不适用于高温储能介质，因而上述文献也未提及该材料在介电储能领域的应用。文献5报道的复合材料具有较高的介电常数和较低的介电损耗，其耐压强度(击穿场强)最优值为1150kV/cm，但未与纯聚合物进行比较。而一般来说，随着填料组分的增加，击穿也会迅速恶化，因此与纯聚合物比较较为重要。此外，文献5未测试储能密度和储能效率，未提及其高温应用。

技术实现思路

[0017]有鉴于此，本专利技术提出了一种耐高温铁电聚合物基介电储能复合薄膜及其制备方法和应用，通过采用高导热纳米核
‑
高介电外壳的复合纳米填料，同时提高铁电聚合物的热导率和介电常数，并抑制介电损耗，最终获得了在120℃工作温度下仍具有较高储能密度和充放电效率的纳米复合材料。
[0018]本专利技术的技术方案是这样实现的：
[0019]一方面，本专利技术提供了一种耐高温铁电聚合物基介电储能复合薄膜，其包括基材和分散在基材中的核壳纳米填料，
[0020]所述基材为聚偏氟乙烯或其共聚物系列铁电聚合物；
[0021]所述核壳纳米填料为SiC纳米核及包覆在SiC纳米核上的BaTiO3纳米壳；
[0022]核壳纳米填料的质量百分比为2.5％～50％。
[0023]在以上技术方案的基础上，优选的，所述铁电聚合物采用PVDF(聚偏氟乙烯)、P(VDF
‑
HFP)(聚偏氟乙烯
‑
六氟丙烯)、P(VDF
‑
TrFE)(聚偏氟乙烯
‑
三氟乙烯)或P(VDF
‑
TrFE
‑
HFP)(本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种耐高温铁电聚合物基介电储能复合薄膜，其包括基材和分散在基材中的核壳纳米填料，其特征在于：所述基材为聚偏氟乙烯或其共聚物系列铁电聚合物；所述核壳纳米填料为SiC纳米核及包覆在SiC纳米核上的BaTiO3纳米壳；核壳纳米填料的质量百分比为2.5％～50％。2.如权利要求1所述的耐高温铁电聚合物基介电储能复合薄膜，其特征在于：所述铁电聚合物采用PVDF、P(VDF
‑
HFP)、P(VDF
‑
TrFE)或P(VDF
‑
TrFE
‑
HFP)。3.如权利要求1所述的耐高温铁电聚合物基介电储能复合薄膜，其特征在于：所述核壳纳米填料的粒径为50～500nm，其中，SiC纳米核及BaTiO3纳米壳的用量体积比例为1：(1～3)。4.如权利要求1所述的耐高温铁电聚合物基介电储能复合薄膜，其特征在于：所述SiC纳米核使用十六烷基三甲基溴化铵进行表面改性。5.如权利要求1所述的耐高温铁电聚合物基介电储能复合薄膜，其特征在于：所述核壳纳米填料表面采用乙酸进行羟基化改性。6.如权利要求1所述的耐高温铁电聚合物基介电储能复合薄膜的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：制备得到SiC@BaTiO3核壳纳米粒子；将SiC@BaTiO3核壳纳米粒子分散到溶剂中，得到悬浊液，再加入铁电聚合物，进行分散，得到悬浮液，通过流延法制备复合膜，80～1...

【专利技术属性】
技术研发人员：周令，罗钟灿，叶展文，段波，陈刚，翟鹏程，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：