聚合物基复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种聚合物基复合材料，所述聚合物基复合材料包括如下重量份数的下列组分：聚合物基体400份；填料5‑600份，其中，所述填料为异质结构颗粒，所述异质结构颗粒为两种或两种以上具有禁带差异的原材料制成的晶粒，所述原材料为半导体和/或绝缘体。

【技术实现步骤摘要】
聚合物基复合材料及其制备方法
本专利技术属于复合材料领域，尤其涉及一种聚合物基复合材料及其制备方法。
技术介绍
随着经济的快速发展，人类对能源的需求越来越大，因此，有关储能技术受到广泛的关注和应用。相比其他电子储能装置，介电电容器具有快速充放电能力和较高的功率密度，但是其储能密度低于电化学储能装置至少一个数量级。就介电电容器而言，其储能密度由介电常数和击穿强度两个重要因素决定，因此，为了提高储能密度，主要解决的问题就是介电常数和击穿强度。然而传统的陶瓷颗粒仅仅具有极高的介电常数，但击穿强度太低；而聚合物具有较高的击穿强度，但介电常数偏低。为了克服这种困境，将聚合物和无机陶瓷颗粒进行复合是个极好的解决方法。高介电、高击穿强度的聚合物基复合材料综合了传统的无机材料和聚合物的优点，聚合物基复合材料具有高的储能密度、减小尺寸、柔性、加工简单、成本低廉、利于大规模生产等特性，引起广泛关注和研究。目前，由无机陶瓷颗粒和聚合物基体复合制备的复合材料提高其储能密度受介电常数和击穿强度等因素制约，存在如下缺点：(1)在高含量填料的情况下，能够获得较高的介电常数，但材料的击穿强度在此时很难保障，不能同时达到高介电高击穿强度的性能。基于高含量填料的陶瓷颗粒/聚合物复合材料可以获得比较高的介电常数，此方面获得了较多的研究。但是，一个重要问题并没有得到解决，即在高含量下，虽然提高了介电常数，但是击穿强度和储能密度急剧下降。陶瓷颗粒/聚合物复合材料耐压性能受填料的颗粒、形状、在基体中的分散情况等因素的影响，填料的含量越高材料的电导率变化越急剧，这给材料性能的提高带来极大的阻碍和挑战。(2)在高填料含量下的情况下，陶瓷颗粒/聚合物复合材料的耐压性能降低，漏电流难以控制。根据目前控制聚合物基复合材料内部漏电流的解决方法，主要包括以下三种。第一种是对其分散性进行改进，比如常见的对颗粒表面进行接枝改性；第二种是颗粒表面包覆处理；第三种是复合材料做成三明治结构，中间层放置一层阻挡层等方法控制漏电流。以上方法虽然可以对漏电流有一定的抑制作用，但在高含量下，效果也是不尽人意。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种在较高的填料含量时(30wt％或更高)的情况下，仍然保持较高的耐压、储能密度以及介电性能的聚合物基复合材料及其制备方法，旨在解决现有的由无机陶瓷颗粒和聚合物基体复合制备的复合材料，高含量填料的情况下，不能同时达到高介电高击穿强度的性能、以及耐压性能低、漏电流难以控制的问题。本专利技术是这样实现的，一种聚合物基复合材料，所述聚合物基复合材料包括如下重量份数的下列组分：聚合物基体400份；填料5-600份，其中，所述填料为异质结构颗粒，所述异质结构颗粒为两种或两种以上具有禁带差异的原材料制成的晶粒，所述原材料为半导体和/或绝缘体。以及，一种聚合物基复合材料的制备方法，包括以下步骤：提供聚合物基体和异质结构颗粒；将所述异质结构颗粒分散在有机溶剂中，超声处理得到异质结构颗粒分散液；将所述聚合物基体置于有机溶剂中，搅拌处理，得到聚合物基体溶液；将所述异质结构颗粒分散液和所述聚合物基体溶液混合后，搅拌、超声处理，得到混合浆料，所述混合浆料的浓度为95-105mg/ml；将所述混合浆料沉积在洁净基板上，热处理后得到聚合物基体材料。本专利技术提供的聚合物基复合材料，以两种或两种以上具有禁带差异的原材料制成的异质结构颗粒作为填料。所述聚合物基复合材料，其介电常数随着所述填料的增加而增加；同时，由于所述填料形成了异质结构，所述异质结构能够捕获自由电子，从而使所述聚合物基复合材料内部的自由电子减少，导致复合材料的电阻和电阻率升高，导电性降低，其耐压升高，击穿强度提高。因此，本专利技术提供的聚合物基复合材料，在较高的填料含量时(30wt％或更高)的情况下，仍然保持较高的耐压、储能密度以及介电性能。同时，所述聚合物基复合材料内部的自由电子有效得到抑制，漏电流减小。本专利技术提供的聚合物基复合材料的制备方法，方法简单，易于控制，具有较好的产业化前景。附图说明图1是本专利技术实施例1提供的ZnO：ZnS异质结粉末的物相分析XRD图；图2是本专利技术实施例1提供的ZnO：ZnS异质结粉末的电镜形貌图；图3是本专利技术实施例2提供的聚合物基复合材料横断面的电镜形貌图；图4是本专利技术实施例2提供的聚合物基复合材料不同S/Zn下的介电常数与频率的关系图；图5是本专利技术实施例2提供的聚合物基复合材料不同S/Zn下的损耗与频率的关系图；图6是本专利技术实施例2提供的聚合物基复合材料不同S/Zn下的击穿概率与击穿强度的关系图；图7是本专利技术实施例2提供的聚合物基复合材料不同S/Zn下的击穿强度与极化的关系图；图8是本专利技术实施例2提供的聚合物基复合材料不同S/Zn下的击穿强度与能量密度的关系图。具体实施方式为了使本专利技术要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术实施例提供了一种聚合物基复合材料，所述聚合物基复合材料包括如下重量份数的下列组分：聚合物基体400份；填料5-600份，其中，所述填料为异质结构颗粒，所述异质结构颗粒为两种或两种以上具有禁带差异的原材料制成的晶粒，所述原材料为半导体和/或绝缘体。具体的，本专利技术实施例中，所述聚合物基体作为聚合物基复合材料的基体组分，包括但不限于橡胶、环氧树脂、聚酯、聚碳酸酯、聚苯硫醚、聚丙烯、聚偏氟乙烯及其共聚物、聚酰亚胺、双马来酰亚胺-三嗪树脂等中的至少一种。上述列举的聚合物基体，具有优异的粘结性能和耐压性能，可以赋予所述聚合物基复合材料优异的柔性，同时降低加工成本和设备要求，有利于大规模生产。本专利技术实施例所述聚合物基复合材料中含有填料。有别于常规的填料组分，本专利技术实施例所述填料为异质结构颗粒，所述异质结构颗粒为两种或两种以上具有禁带差异的原材料制成的晶粒，即所述异质结构颗粒为晶体颗粒结构，本专利技术实施例所述原材料由其所对应的前驱体制备而来。具体的，在异质结构形成过程中，由于元素结合能力不同，有一个先驱体先开始形成第一个晶须，而后另外一个前驱体将在第一个晶须的表面也开始形成第二个晶须，因此，在外界条件的驱使下，两者晶须一起生长变大，彼此紧密接触结合。但是，由于先驱体存在禁带差异，不同禁带宽度之间在形成异质结构时禁带会发生一定弯曲，最终形成异质结构颗粒。所述异质结构颗粒的这种弯曲处会形成量子阱结构，而量子阱结构赋予异质结构本身具有捕获自由电子的能力，从而使所述聚合物基复合材料内部的自由电子减少，导致复合材料的电阻和电阻率升高，导电性降低，其耐压升高，击穿强度提高。因此，本专利技术实施例提供的聚合物基复合材料，在较高的填料含量时(30wt％或更高)的情况下，仍然保持较高的耐压、储能密度以及介电性能。同时，所述聚合物基复合材料内部的自由电子有效得到抑制，漏电流减小。原则上，经前驱体制备而成的、用于制备所述异质结构颗粒的原材料，禁带差异越大，捕获自由电子的能力越强，同时提高耐压、储能密度以及介电性能的效果越好。其中，所述原材料为半导体和/或绝缘体，即所述异质结构颗粒可以由具有禁带差异的两种或两种以上半导体制成，可以由具有禁带差异的两种或两种以上绝缘体制成，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种聚合物基复合材料，其特征在于，所述聚合物基复合材料包括如下重量份数的下列组分：聚合物基体    400份；填料          5‑600份，其中，所述填料为异质结构颗粒，所述异质结构颗粒为两种或两种以上具有禁带差异的原材料制成的晶粒，所述原材料为半导体和/或绝缘体。

【技术特征摘要】
1.一种聚合物基复合材料，其特征在于，所述聚合物基复合材料包括如下重量份数的下列组分：聚合物基体400份；填料5-600份，其中，所述填料为异质结构颗粒，所述异质结构颗粒为两种或两种以上具有禁带差异的原材料制成的晶粒，所述原材料为半导体和/或绝缘体。2.如权利要求1所述的聚合物基复合材料，其特征在于，制成所述异质结构颗粒的各原材料之间的晶格匹配度≤15％。3.如权利要求1所述的聚合物基复合材料，其特征在于，所述原材料包括ZnO、ZnS、SnO2、CdO、Fe2O3、Cr2O3，Al2O3、ZrO2、Tb3O4、TiO2、SiC、SnO、Cu2O、NiO、CoO、FeO、MgO、MgS、SrTiO3、BaTiO3、Si、SiO2、PbS、PbSe、AgI、CoO、Cr2O3、MnO、CoO、SnO中的至少一种。4.如权利要求1-3任一所述的聚合物基复合材料，其特征在于，所述异质结构颗粒为ZnO：ZnS异质结、TiO2：ZnO：ZnS异质结、MgS：MgO异质结中的至少一种。5.如权利要求1-3任一所述的聚合物基复合材料，其特征在于，所述聚合物基体包括橡...

【专利技术属性】
技术研发人员：于淑会，丁善军，罗遂斌，孙蓉，
申请(专利权)人：中国科学院深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：广东,44