高储能密度电介质材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及高储能密度电介质材料及其制备方法，所述高储能密度电介质材料，包括层叠的至少两层有机‑无机复合膜和至少一层有机膜，且最外层为有机‑无机复合膜，所述有机‑无机复合膜包括有机基体和无机填料，所述有机基体为热塑性树脂和热固性树脂中的至少一种，所述无机填料是介电陶瓷材料，所述有机膜为热塑性树脂和热固性树脂中的至少一种。

Dielectric materials with high energy storage density and their preparation methods

The invention relates to a high energy storage density dielectric material and a preparation method. The high energy storage density dielectric material includes at least two layers of organic-inorganic composite film and at least one layer of organic film, and the outermost layer is an organic-inorganic composite film. The organic-inorganic composite film includes an organic matrix and an inorganic filler, and the organic matrix is a thermoplastic resin and a thermosetting resin. At least one of the inorganic fillers is a dielectric ceramic material, and the organic film is at least one of the thermoplastic resin and thermosetting resin.

【技术实现步骤摘要】
高储能密度电介质材料及其制备方法
本专利技术涉及一种多层结构的高储能密度有机-无机复合材料及其制备方法。
技术介绍
具有高充放电速度和高功率密度的介电电容器在电力系统、脉冲功率电源等方面扮演着重要角色。近年来以智能物联网和可穿戴技术为代表的新一代信息技术和产业对电子系统的高集成度、小型化、轻量化和高密度化的需求驱使传统陶瓷电介质材料迅速减薄，漏电流急剧增加。因此寻找新型高储能密度电介质材料已经成为信息功能材料和微电子领域的前瞻性研究课题。高储能密度聚合物复合电介质材料由于工艺简单、成本低廉、易与柔性基体兼容以及适合大面积生产等优点已成为学术和产业界关注的热点。根据介电材料储能密度的定义(公式1)，介质材料的能量密度主要取决于电场强度E和电位移矢量D，对于一般的线性介电材料的储能密度Ue则可以简化为公式2，其中ε0与εr分别是真空和介质材料的介电常数，EB是介电击穿强度。因此同时提高材料的介电常数和击穿强度可以最大限度地提高介电材料的储能密度。为了获得高储能密度的聚合物复合材料，目前通用的方法包括：依据有效介质理论，在聚合物基体中填充各类高介电陶瓷填料构筑0-3型高介电聚合物复合材料。但是这种通过陶瓷的添加量来调控复合材料的介电特性的方法对于复合材料介电常数的提高仍然有限，同时大量填料的引入必然导致大量缺陷，从而降低材料的耐压强度。
技术实现思路
本专利技术的目的是要解决现有高储能密度的聚合物复合材料的介电常数低，耐压强度低的问题，而提供高储能密度电介质材料及其制备方法和应用。一方面，本专利技术提供一种高储能密度电介质材料，其包括层叠的至少两层有机-无机复合膜和至少一层有机膜，且最外层为有机-无机复合膜，所述有机-无机复合膜包括有机基体和无机填料，所述有机基体为热塑性树脂和热固性树脂中的至少一种，所述无机填料是介电陶瓷材料，所述有机膜为热塑性树脂和热固性树脂中的至少一种。根据本专利技术，一、在上述材料结构中，由于有机膜的存在，大大提高了复合材料的耐击穿强度，因此储能密度大大提高。二、上述材料充分利用了界面两边不同极性或电导率的组份在外电场的作用下，电介质中的电子或离子在界面处容易聚集引起的极化效应，进而提高了材料的介电常数的原理，同时在复合材料内部引入有机膜，如高绝缘性的PI，则可以在一定程度上提高复合材料的耐击穿电压和改善复合材料的介电损耗，因此根据材料的乘积效应，该多层复合材料膜可以同时提高材料的储能密度。三、上述材料的介电常数≥85，储能密度≥20J/cm3，耐压强度为400KV/mm～600KV/mm。较佳地，所述高储能密度电介质材料的厚度为8μm～500μm，所述有机-无机复合膜的厚度为3μm～30μm；所述有机膜的厚度为2μm～20μm。所述高储能密度电介质材料中包含至少两层有机-无机复合膜，且这两层有机-无机复合膜材质可以相同也可以不同。较佳地，当所述高储能密度电介质材料的叠层中出现有机-无机复合膜与有机-无机复合膜相邻叠加时，相邻叠加的两层有机-无机复合膜的材质不同。较佳地，当所述高储能密度电介质材料中包含多层有机膜时，两层有机膜之间至少隔一层有机-无机复合膜。第二方面，本专利技术提供上述任一高储能密度电介质材料的制备方法，包括：将各层有机-无机复合膜和有机膜层叠后，热压复合，并加热固化，得到所述高储能密度电介质材料。较佳地，所述制备方法包括以下步骤：在两个基材上分别涂覆有机-无机复合浆料；以及在其中一个基材上按照高储能密度电介质材料叠层要求依次涂覆有机-无机复合浆料和/或放置有机膜，再将另一基材以涂层在下的形式叠加，热压复合，并加热固化，得到所述高储能密度电介质材料。较佳地，所述加热固化是在80～350℃下固化60分钟～240分钟。第三方面，本专利技术提供一种高储能密度电介质材料，其包括层叠的至少两层有机-无机复合膜，且其中相邻层叠的两层有机-无机复合膜的材质不同，所述有机-无机复合膜包括有机基体和无机填料，所述有机基体为热塑性树脂和热固性树脂中的至少一种，所述无机填料是介电陶瓷材料。第四方面，本专利技术提供上述任一高储能密度电介质材料在电容器、麦克风或脉冲功率器件中的应用。根据本专利技术，可以提供一种兼具优异的介电常数、储能密度和耐压强度的高储能密度电介质材料。具体实施方式以下通过下述实施方式进一步说明本专利技术，应理解，下述实施方式仅用于说明本专利技术，而非限制本专利技术。本专利技术一实施方式的高储能密度电介质材料包括层叠的至少两层有机-无机复合膜和至少一层有机膜，且最外层为有机-无机复合膜。如果最外层为有机膜，则会导致层叠材料的介电常数低下。由于最外层为纯有机膜时，在一定的电场下，材料内部的极化率较低，进而导致介电低下。在此，“有机-无机复合膜”是指含有有机基体和无机填料的复合膜。“有机膜”是指仅含有机物而不含无机物的膜。“最外层”是指层叠体中最靠两外侧的那两层。也就是说，本实施方式中，通过在两层有机-无机复合膜之间至少夹了有机膜而形成高储能密度电介质材料。至少两层有机-无机复合膜的材质可以相同，也可以不同。本文中，有机-无机复合膜的材质相同或不同是指有机-无机复合膜中的有机基体和无机填料中的至少一者的材质相同或不同。与有机-无机复合膜相邻的膜可以是有机-无机复合膜，也可以是有机膜。当有机-无机复合膜与有机-无机复合膜相邻叠加时，相邻叠加的两层有机-无机复合膜的材质优选为不同，这样可以充分利用分级界面特性进一步提高复合材料的介电常数。优选实施方式中，当有机膜为多层时，两层有机膜之间至少隔一层有机-无机复合膜。也就是说，与有机膜相邻的膜优选为有机-无机复合膜，这样可以增加界面效应，进一步提高储能密度。与有机膜相邻的两层有机-无机复合膜的材质可以相同，也可以不同。当与有机膜相邻的两层有机-无机复合膜的材质不同时，可以获得更高的介电常数和储能密度。当有机膜为多层时，各有机膜的材质可以相同，也可以不同。本专利技术另一实施方式的高储能密度电介质材料包括层叠的至少两层有机-无机复合膜，且其中相邻层叠的两层有机-无机复合膜的材质不同。高储能密度电介质材料中至少两层有机-无机复合膜的材质至少为两种。优选地，高储能密度电介质材料由至少两层有机-无机复合膜叠加而成。一些实施方式中，高储能密度电介质材料的厚度为8μm～500μm。一些实施方式中，有机-无机复合膜的厚度为3μm～30μm。一些实施方式中，有机膜的厚度为2μm～20μm。有机-无机复合膜中，无机填料质量分数可为0.5％～80％，优选为50％～70％。当无机填料质量分数为50％～70％时，可以使复合材料的介电常数最优。有机基体的质量分数可为20％～99.5％，优选为30％～50％。无机填料与有机基体的质量比可为1：199～4：1。有机-无机复合膜中的有机基体可为热塑性树脂和热固性树脂中的至少一种，优选自环氧树脂、聚偏氟乙烯、聚酰亚胺中的至少一种，从工业应用考虑，更优选自环氧树脂和聚酰亚胺中的至少一种。有机-无机复合膜中的无机填料是介电陶瓷材料。一些实施方式中，无机填料的介电常数为100～10000。无机填料可选自一维填料、二维填料、颗粒粉体填料中的至少一种。其中优选一维填料，采用一维陶瓷与采用二维填料和/或颗粒粉体填料相比，能使有效界面面积增加，电偶极矩增加，从而在同等添加量下可以本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高储能密度电介质材料，其特征在于，包括层叠的至少两层有机‑无机复合膜和至少一层有机膜，且最外层为有机‑无机复合膜，所述有机‑无机复合膜包括有机基体和无机填料，所述有机基体为热塑性树脂和热固性树脂中的至少一种，所述无机填料是介电陶瓷材料，所述有机膜为热塑性树脂和热固性树脂中的至少一种。

【技术特征摘要】
2017.10.13 CN 20171095139041.一种高储能密度电介质材料，其特征在于，包括层叠的至少两层有机-无机复合膜和至少一层有机膜，且最外层为有机-无机复合膜，所述有机-无机复合膜包括有机基体和无机填料，所述有机基体为热塑性树脂和热固性树脂中的至少一种，所述无机填料是介电陶瓷材料，所述有机膜为热塑性树脂和热固性树脂中的至少一种。2.一种高储能密度电介质材料，其特征在于，包括层叠的至少两层有机-无机复合膜，且其中相邻层叠的两层有机-无机复合膜的材质不同，所述有机-无机复合膜包括有机基体和无机填料，所述有机基体为热塑性树脂和热固性树脂中的至少一种，所述无机填料是介电陶瓷材料。3.根据权利要求1或2所述的高储能密度电介质材料，其特征在于，所述高储能密度电介质材料的厚度为8μm～500μm，所述有机-无机复合膜的厚度为3μm～30μm；所述有机膜的厚度为2μm～20μm。4.根据权利要求1或3所述的高储能密度电介质材料，其特征在于，当所述高储能密度电介质材料的叠层中出现有机-无机复合膜与有机-无机复合膜相邻叠加时，相邻叠加的两层有机-无机复合膜的材质不同。5.根据权利要求1、3、4中任一项所述的高储能密度电介质材料，其特征在于，当所述高储能密度电介质材料中包含多层有机膜时，两层有机膜之间至少隔一层有机-无机复合膜。6.根据权利要求1至5中任一项所述的高储能密度电介质材料，其特征在于，所述有机-无机复合膜中无机填料质量分数为0.5%～80%，优选为50%～70%；有机基体的质量分数为5%～99%，优选为30%～50%。7.根据权利要求1至6中任一项所述的高储能密度电介质材料，其特征在于，所述的无机填料选自一维填料、二维填料、颗粒粉...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨文虎，李峰，卢星华，李雪，周智勇，郭欧平，
申请(专利权)人：深圳市峰泳科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44