层状介电材料及其制备方法技术

技术编号:19147045 阅读:33 留言:0更新日期:2018-10-13 09:46
本发明专利技术涉及一种层状介电材料及其制备方法,包括层叠设置的第一纤维无纺布层和第二纤维无纺布层,第一纤维无纺布层为偏氟乙烯‑六氟丙烯共聚物层,第二纤维无纺布层为偏氟乙烯‑三氟乙烯‑氯氟乙烯共聚物层,第一纤维无纺布层及第二纤维无纺布层的总层数为2~30层。上述层状介电材料及其制备方法,偏氟乙烯‑六氟丙烯共聚物层具有高击穿性能,而偏氟乙烯‑三氟乙烯‑氯氟乙烯共聚物岑具有高极化性能和高储能效率,并且通过将偏氟乙烯‑六氟丙烯共聚物层和偏氟乙烯‑三氟乙烯‑氯氟乙烯共聚物层相互层叠以控制层状介电材料的内部介观结构,有利于抑制层状介电材料内部的电导损耗和铁电损耗,从而使得层状介电材料同时兼具高储能密度和储能效率。

Layered dielectric materials and their preparation methods

The present invention relates to a layered dielectric material and its preparation method, including a first fiber non-woven layer and a second fiber non-woven layer, a first fiber non-woven layer being a polyvinylidene fluoride hexafluoropropylene copolymer layer, a second fiber non-woven layer being a polyvinylidene fluoride trifluoroethylene chlorofluoroethylene copolymer layer, a first fiber. The total number of layers of the non-woven fabric and the two fiber non-woven fabric is 2~30 layers. The layered dielectric materials and their preparation methods have high breakdown properties for the vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer layers, while the vinylidene fluoride-trifluoroethylene-chlorofluoroethylene copolymer layers have high polarization properties and high energy storage efficiency, and by adding the vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer layers and the vinylidene fluoride-trifluoroethylene-chloroethylene copolymer layers. Fluoroethylene copolymer layers are stacked with each other to control the internal mesoscopic structure of layered dielectric materials, which is conducive to suppressing the conductivity loss and ferroelectric loss of layered dielectric materials, so that layered dielectric materials have both high energy storage density and high energy storage efficiency.

【技术实现步骤摘要】
层状介电材料及其制备方法
本专利技术涉及介电材料制备
,特别是涉及层状介电材料及其制备方法。
技术介绍
随着现代科技的发展,作为重要的基础电子元件和高功率的储能器件,电容器在消费类电子产品、通信产品、自动化控制、高速铁路、新能源汽车与航空及军事装备上得到广泛的应用。其中,薄膜电容器因其高耐压强度,高功率密度等优势,得到科研人员和市场更多的关注。然而,商用电介质薄膜BOPP(双向拉伸聚丙烯)的介电常数较低(2~3),导致其较低的储能密度(~2J/cm3),限制了其更广泛的应用。比如,轨道电磁炮每次发射需要大约100MJ的能量输入,而提供能量的电容器的体积通常在10立方米左右,过大的体积和重量就极大地限制了其更高效的使用。为了提高介电薄膜的介电常数和储能密度,科研人员将目光转向了具有高极化能力的PVDF基聚合物。2006年,美国宾州州立大学章启明教授在期刊Science提出用P(VDF-CTFE)作为介电储能薄膜,得到高于10的介电常数和高于10J/cm3的储能密度,远高于传统BOPP的储能密度。此后,科研人员采用各种不同的方式去进一步提高PVDF基聚合物的储能密度,例如制备聚合物纳米复合材料,构建具有多层结构的复合材料和制备共混、接枝等聚合物改性材料等。通过十几年的努力,如今PVDF基聚合物材料的储能密度能达到5~15J/cm3,但是其储能效率却只有50~70%,这就意味着大量的能量被耗散。而这些耗散的能量绝大部分转化为无用且有害的热能,由于聚合物材料本征的低热导率,使得热量在聚合物内部累积,导致材料的内部温升和最终的性能恶化。因此,如何在保证高储能密度的同时提高PVDF基聚合物的储能效率就成为了一个研究热点和难点。PVDF基聚合物低的储能效率主要源于两方面的损耗:1)铁电损耗:PVDF是一种非线性的铁电材料,内部偶极不能跟上外加电场的变化,存在迟滞的现象,这一迟滞过程会带来能量的损耗,从而产生铁电损耗。2)电导损耗:PVDF内部存在自由移动的电子和离子,在外电场的作用下,会定向移动形成漏电流,从而产生电导损耗。为了抑制PVDF基聚合物的损耗,提高材料的储能效率,科研人员也展开了大量的研究工作。2013年,章启明教授在P(VDF-TrFE)上加入大尺寸的CFE或CTFE单体,制备得到P(VDF-TrFE-CFE)或P(VDF-TrFE-CTFE)三元共聚物,通过纳米限制效应,将原来P(VDF-TrFE)聚合物中的大尺寸铁电畴缩小为纳米尺寸的铁电畴,减小畴壁对偶极翻转的限制,使得聚合物内部的偶极能够对外加电场的变化做出迅速的响应,从而减少铁电损耗,提高效率。同时,美国西储大学祝磊教授在P(VDF-TrFE-CTFE)的基础上接枝了聚苯乙烯PS,制成P(VDF-TrFE-CTFE)-g-PS嵌段共聚物,进一步抑制了聚合物的损耗。2010年,西安交通大学徐卓教授通过制备具有不同相结构的PVDF,发现α-PVDF和γ-PVDF比β-PVDF的损耗更低,效率更高。以上的研究工作主要是从抑制铁电损耗的角度出发,也有人从抑制电导损耗的方向去着手。2012年,祝磊教授利用微层共挤出的方法制备了PVDF/PC(聚丙烯)多层聚合物材料,通过层结构设计和界面对电荷迁移抑制,更好的控制了聚合物内部的电导损耗。2015年,美国宾州州立大学王庆教授在期刊Energy&EnvironmentalScience提出采用BNNS(氮化硼纳米片)作为填料去制备P(VDF-TrFE-CFE)/BNNS纳米复合材料,实验结果表明,由于BNNS二维片层的大长径比结构和高绝缘性,复合材料表现出更低的漏电流和更高的击穿性能,制备的复合材料具有更高的储能密度和效率。虽然科研人员做出了很多的努力,但制备得到的PVDF基聚合物仍难以同时兼具高储能密度和储能效率。
技术实现思路
基于此,有必要针对PVDF基聚合物仍难以同时兼具高储能密度和储能效率的问题,提供一种层状介电材料及其制备方法。一种层状介电材料,包括层叠设置的第一纤维无纺布层和第二纤维无纺布层,所述第一纤维无纺布层为偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物层,所述第二纤维无纺布层为偏氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯共聚物层,所述第一纤维无纺布层及所述第二纤维无纺布层的总层数为2~30层。在其中一个实施方式中,所述第一纤维无纺布层及所述第二纤维无纺布层的总层数为3层,所述第一纤维无纺布层及所述第二纤维无纺布层交替层叠;或,所述层状介电材料的层叠方式为ABA,其中,B代表所述第一纤维无纺布层及所述第二纤维无纺布层中的其中一个,A代表所述第一纤维无纺布层及所述第二纤维无纺布层中的另一个。在其中一个实施方式中,所述第一纤维无纺布层及所述第二纤维无纺布层的总层数为奇数,所述层状介电材料包括中间层及分别设于所述中间层两个侧面的第一交替层组及第二交替层组;所述中间层为第一纤维无纺布层或第二纤维无纺布层,所述第一交替层组包括交替层叠的第一纤维无纺布层和第二纤维无纺布层,所述第二交替层组包括交替层叠的第一纤维无纺布层和第二纤维无纺布层,且所述第一交替层组及所述第二交替层组的层数相同;所述第一交替层组靠近所述中间层的一层与所述中间层的材料不同,所述第二交替层组靠近所述中间层的一层与所述中间层的材料不同;或,所述层状介电材料的层叠方式为(AB)nA(BA)n或B(AB)nA(BA)nB,其中,A代表所述第一纤维无纺布层及所述第二纤维无纺布层中的其中一个,B代表所述第一纤维无纺布层及所述第二纤维无纺布层中的另一个;且1≤n≤7。在其中一个实施方式中,所述第一纤维无纺布层及所述第二纤维无纺布层的总层数为偶数,所述层状介电材料包括第一交替层组及层叠于所述第一交替层组的第二交替层组,所述第一交替层组包括交替层叠的第一纤维无纺布层和第二纤维无纺布层,所述第二交替层组包括交替层叠的第一纤维无纺布层和第二纤维无纺布层,且所述第一交替层组及所述第二交替层组的层数相同;所述第一交替层组中靠近所述第二交替层组的一层与所述第二交替层组中靠近所述第一交替层组的一层的材料相同;或,所述层状介电材料的层叠方式为(AB)m(BA)m或B(AB)m(BA)mB,其中,A代表第一纤维无纺布层及第二纤维无纺布层中的其中一个,B代表所述第一纤维无纺布层及所述第二纤维无纺布层中的另一个;且1≤m≤7。上述的层状介电材料的制备方法,包括以下步骤:将偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物溶解于第一溶剂中得到第一溶液;将偏氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯共聚物溶解于第二溶剂中得到第二溶液;采用静电纺丝的方式将所述第一溶液及所述第二溶液成型得到中间体,所述中间体包括相互层叠的第一纤维无纺布层及第二纤维无纺布层;其中,所述第一溶液成型得到第一纤维无纺布层,所述第二溶液成型得到第二纤维无纺布层;所述第一纤维无纺布层与所述第二纤维无纺布层的总层数为2层~30层;对所述中间体进行热压处理;及对所述中间体进行冷淬处理。在其中一个实施方式中,所述第一溶剂选自N,N-二甲基甲酰胺和丙酮的混合液,其中,N,N-二甲基甲酰胺与丙酮的体积比为3:2~5:1;及/或,所述第二溶剂选自N,N-二甲基甲酰胺和丙酮的混合液,其中,N,N-二甲基甲酰胺与丙酮的体积比为3:2~5:1。在其中一个实施方式中,所述偏氟乙烯本文档来自技高网
...

【技术保护点】
1.一种层状介电材料,其特征在于,包括层叠设置的第一纤维无纺布层和第二纤维无纺布层,所述第一纤维无纺布层为偏氟乙烯‑六氟丙烯共聚物层,所述第二纤维无纺布层为偏氟乙烯‑三氟乙烯‑氯氟乙烯共聚物层,所述第一纤维无纺布层及所述第二纤维无纺布层的总层数为2~30层。

【技术特征摘要】
1.一种层状介电材料,其特征在于,包括层叠设置的第一纤维无纺布层和第二纤维无纺布层,所述第一纤维无纺布层为偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物层,所述第二纤维无纺布层为偏氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯共聚物层,所述第一纤维无纺布层及所述第二纤维无纺布层的总层数为2~30层。2.根据权利要求1所述的层状介电材料,其特征在于,所述第一纤维无纺布层及所述第二纤维无纺布层的总层数为3层,所述第一纤维无纺布层及所述第二纤维无纺布层交替层叠;或,所述层状介电材料的层叠方式为ABA,其中,B代表所述第一纤维无纺布层及所述第二纤维无纺布层中的其中一个,A代表所述第一纤维无纺布层及所述第二纤维无纺布层中的另一个。3.根据权利要求1所述的层状介电材料,其特征在于,所述第一纤维无纺布层及所述第二纤维无纺布层的总层数为奇数,所述层状介电材料包括中间层及分别设于所述中间层两个侧面的第一交替层组及第二交替层组;所述中间层为第一纤维无纺布层或第二纤维无纺布层,所述第一交替层组包括交替层叠的第一纤维无纺布层和第二纤维无纺布层,所述第二交替层组包括交替层叠的第一纤维无纺布层和第二纤维无纺布层,且所述第一交替层组及所述第二交替层组的层数相同;所述第一交替层组靠近所述中间层的一层与所述中间层的材料不同,所述第二交替层组靠近所述中间层的一层与所述中间层的材料不同;或,所述层状介电材料的层叠方式为(AB)nA(BA)n或B(AB)nA(BA)nB,其中,A代表所述第一纤维无纺布层及所述第二纤维无纺布层中的其中一个,B代表所述第一纤维无纺布层及所述第二纤维无纺布层中的另一个;且1≤n≤7。4.根据权利要求1所述的层状介电材料,其特征在于,所述第一纤维无纺布层及所述第二纤维无纺布层的总层数为偶数,所述层状介电材料包括第一交替层组及层叠于所述第一交替层组的第二交替层组,所述第一交替层组包括交替层叠的第一纤维无纺布层和第二纤维无纺布层,所述第二交替层组包括交替层叠的第一纤维无纺布层和第二纤维无纺布层,且所述第一交替层组及所述第二交替层组的层数相同;所述第一交替层组中靠近所述第二交替层组的一层与所述第二交替层组中靠近所述第一交替层组的一层的材料相同;或,所述层状介电材料的层叠方式为(AB)m(BA)m或B(AB)m(BA)mB,其中,A代表第一纤维无纺布层及...

【专利技术属性】
技术研发人员:沈洋江建勇南策文
申请(专利权)人:深圳清华大学研究院
类型:发明
国别省市:广东,44

网友询问留言 已有0条评论
  • 还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。

1