本发明专利技术涉及一种高能量密度、低介电损耗复合薄膜材料及其制备方法。该复合薄膜材料由一维特殊结构的纳米纤维分散在聚合物矩阵中组成；所述一维特殊结构的纳米纤维为BaTiO3@Al2O3，聚合物为聚偏氟乙烯（PVDF）。其中，一维结构的BaTiO3@Al2O3所占的体积百分比为2.1‑8 vol.%，聚合物PVDF所占的体积百分比为97.9‑92 vol.%。采用旋涂的技术将一维结构的BaTiO3@Al2O3和聚合物PVDF按照一定的体积比制备成复合薄膜材料。本发明专利技术所制备出的复合薄膜材料具有低介电损耗、高能量密度、柔韧性好等优点，适用于制备高能量密度电容、嵌入式电容器、大功率静电储存能量材料。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及功能材料制备
，尤其是涉及一种高能量密度、低介电损耗复合薄膜材料及其制备方法。
技术介绍
随着社会的不断进步，电子元器件的快速发展，人们对材料的轻量化、储存能量密度以及期间的使用寿命要求越来越高。高介电常数复合薄膜材料在嵌入式电容器、电应力控制、电动车和高储能器件等电子电器的介电能量储存方面有重要的运用。例如在高介电复合薄膜材料在电子元器件储能方面的应用，对材料要求具有高的介电常数、高的击穿场强。而压电陶瓷具有高的介电常数，其韧性、击穿场强较低；聚合物具有高的击穿场强、优异的韧性；将二者复合即可得到高介电复合材料。备受研究者关注的双向拉伸聚丙烯（BOPP）聚偏氟乙烯（PVDF）其介电常数都小于10，和钛酸钡的介电常数相差甚远，可能在复合的时候会出现一个介电性能的错误匹配而导致综合性能的降低。为了解决上述问题，一个新颖的结构设计可以互相补充各自的不足，既能维持相对高的介电常数，又能保持大的击穿场强，最终达到高的储存能量密度。实验和理论已经证明一维的材料在低浓度下（体积比在5%以下）可以明显的改善介电复合薄膜材料的储存能量密度。因为一维的纳米结构具有大的长径比、比表面积大等优点。例如，一般情况下，钛酸钡纳米纤维、钛酸锶钡纳米纤维等一维材料的浓度超过7%时，其复合薄膜材料相对容易击穿。因为含量高复合薄膜材料的结构缺陷（如气孔）就越多导致复合材料的局域性电场浓度增大而降低击穿场强。同时，该材料的韧性也有所降低。为了解决此问题，一个有效的方法是通过合适的聚合物表面功能化填料，或者通过“graftto”方法把聚合物链接枝到填料表面，“graftfrom”方法把有机单体接枝到填料表面。这个聚合表面层不仅可以减轻填料的团聚，而且还可以限制电荷在聚合物的填料之间的移动。因此，复合材料薄膜的击穿场强得到了进一步的改善。但是此方法的不足之处在于多余的单体或者聚合物不容易清除影响材料的击穿场强的提高。纳米颗粒的表面具有很大的能量，在制备复合材料是容易团聚。界面修饰是改善纳米填充物的一个有效办法。另外一个改善能量密度、介电损耗有效的途径是在高介电常数的填充物表面引入一个相对低介电常数的缓冲层，例如：二氧化硅，二氧化锆，二氧化钛，氧化铝等。缓冲层的作用可以减轻聚合物和填充物之间介电常数，减小填充物和聚合物之间的界面极化而提高击穿场强；另外还可以起到一个绝缘作用，从而减轻了聚合物及填料之间的界面电荷的积累，降低介电损耗。因此开发一种柔韧性好、能量密度高且介电损耗低的复合薄膜材料变得非常重要。本专利技术采用了具有优异介电性能的一维BaTiO3@Al2O3纳米纤维作为填料，Al2O3具有合适的介电常数为10，可以减小填料了聚合物之间介电常数的差异；另一方面Al2O3具有优异的绝缘性。而目前用静电纺丝一步法制备结构的一维BaTiO3@Al2O3纳米纤维，并且作为填料的复合薄膜材料可以同时保持较高的能量密度以及低的损耗。目前相关技术方案报道甚少。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高能量密度、低介电损耗复合薄膜材料及其制备方法。本专利技术提出的一种高能量密度、低介电损耗复合薄膜材料，该复合薄膜材料由一维特殊结构的纳米纤维分散在聚合物矩阵中组成，所述一维特殊结构的纳米纤维为BaTiO3@Al2O3纳米纤维，聚合物为聚偏氟乙烯（PVDF）；其中，一维结构的BaTiO3@Al2O3纳米纤维所占的体积百分比为2.1-8vol.%，聚合物PVDF所占的体积百分比为97.9-92vol.%。采用旋涂的技术将一维结构的BaTiO3@Al2O3纳米纤维和聚合物PVDF按比例制备成复合薄膜材料；所制备的复合薄膜材料厚度为6-25μm。本专利技术中，所述BaTiO3@Al2O3纳米纤维，其直径为150-300nm，长度为2-20μm。本专利技术中，所述BaTiO3@Al2O3纳米纤维为通过多巴胺改性后的BaTiO3@Al2O3纳米纤维。本专利技术提出的高能量密度、低介电损耗复合薄膜材料的制备方法，具体步骤如下：（1）采用静电纺丝技术制备BaTiO3@Al2O3纳米纤维；（2）用多巴胺改性处理步骤（１）得到的BaTiO3@Al2O3纳米纤维；（3）将步骤（２）得到的表面改性的BaTiO3@Al2O3纳米纤维置于N，N-二甲基甲酰胺中，超声3-10min，然后磁力搅拌2-3h，形成稳定的悬浮液D；（4）向步骤（３）所得悬浮液D中加入PVDF，在40-60℃下磁力搅拌至PVDF完全溶解得到溶液E；;(5)把溶液E滴在旋涂仪的ITO玻璃上制备复合薄膜，其中旋涂仪的转速为3000转/分钟，旋涂时间为30秒；将该复合薄膜置于60-80℃下真空干燥10h，去除有机溶剂，得到复合薄膜A；（6）为了去除复合薄膜A中的缺陷（如气孔，表面杂质，平整度等），将复合薄膜A置于190-230℃下保温10-20min，随后放入冰水混合物进行淬火处理，在40-80℃下干燥5-10h，即得到优质的复合薄膜材料。本专利技术中，步骤（１）采用静电纺丝技术制备BaTiO3@Al2O3纳米纤维，具体步骤如下：(１.１)将用水热法制备好的钛酸钡纳米颗粒（直径为50nm，BTNPs）分散在乙醇（CH3CH2OH）中超声30min，钛酸钡纳米颗粒与乙醇的质量比为2：1，在室温下磁力搅拌5h，形成溶液A;将异丙醇铝（C9H21AlO3）加入到乙醇（CH3CH2OH）中，异丙醇铝与乙醇的质量比为1：2，然后在600℃下磁力搅拌1h，直至C9H21AlO3完全溶解于CH3CH2OH中，得到溶液B，将得到的溶液B在室温下静置2h；将PVP加入到乙醇（CH3CH2OH）中，PVP与乙醇的质量比为1：4，然后在温度为30-80℃下磁力搅拌30min，直至PVP完全溶解于CH3CH2OH中，得到溶液C，将得到的溶液C在室温下静置2h；将溶液A、静置后的溶液B和静置后的溶液C按1：1：4的质量比混合，在室温下磁力搅拌1-3h，得到一个透明、澄清、稳定的胶体溶液，最后将该胶体溶液在室温下静置1天，即得到静电纺丝前驱体溶液；（１.2）将配制好的静电纺丝前驱体溶液加入到静电纺丝的针管中，然后进行静电纺丝，得到(PVP+C9H21AlO3+BTNPs)为前驱体的纤维。（１.3）将得到的(PVP+C9H21AlO3+BTNPs)为前驱体的纤维在90℃下干燥20h，将干燥好的前驱体的纤维放在氧化铝干锅中置于马弗炉，按照升温速率为5℃/min升至700℃保温3h，最后冷却至室温，得到一维结构的BaTiO3@Al2O3纳米纤维。本专利技术中，步骤（２）中所述用多巴胺改性处理BaTiO3@Al2O3纳米纤维，具体步骤如下：将制备好的一维BaTiO3@Al2O3纳米纤维加入pH=8.5的Tris-HCl缓冲溶液超声分散20min；再加入多巴胺水溶液，控制多巴胺水溶液的浓度为0.015mol/L，然后在室温下磁力搅拌24h，随后离心、多次洗涤，控制离心转速为4000转/min，在80℃真空干燥箱中干燥10h，得到多巴胺改性后的BaTiO3@Al2O3纳米纤维。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：本专利技术所采用的填料为一维的BaTiO3@Al2O3纳米纤维，该一维纤维用一步法所制备。一维BaTiO3@A本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种高能量密度、低介电损耗复合薄膜材料，其特征在于，该复合薄膜材料由一维特殊结构的纳米纤维分散在聚合物矩阵中组成，所述一维特殊结构的纳米纤维为BaTiO3@Al2O3纳米纤维，聚合物为聚偏氟乙烯（PVDF）；其中，一维结构的BaTiO3@Al2O3纳米纤维所占的体积百分比为2.1‑8 vol.%，聚合物PVDF所占的体积百分比为97.9‑92 vol.%；采用旋涂的技术将一维结构的BaTiO3@Al2O3纳米纤维和聚合物PVDF按一定的体积比制备成复合薄膜材料；所制备的复合薄膜材料厚度为6‑25μm。
【技术特征摘要】
1.一种高能量密度、低介电损耗复合薄膜材料，其特征在于，该复合薄膜材料由一维特殊结构的纳米纤维分散在聚合物矩阵中组成，所述一维特殊结构的纳米纤维为BaTiO3@Al2O3纳米纤维，聚合物为聚偏氟乙烯（PVDF）；其中，一维结构的BaTiO3@Al2O3纳米纤维所占的体积百分比为2.1-8vol.%，聚合物PVDF所占的体积百分比为97.9-92vol.%；采用旋涂的技术将一维结构的BaTiO3@Al2O3纳米纤维和聚合物PVDF按一定的体积比制备成复合薄膜材料；所制备的复合薄膜材料厚度为6-25μm。2.根据权利要求1所述的高能量密度、低介电损耗复合薄膜材料，其特征在于，所述BaTiO3@Al2O3纳米纤维，其直径为150-300nm，长度为2-20μm。3.根据权利要求1所述的高能量密度、低介电损耗复合薄膜材料，其特征在于，所述BaTiO3@Al2O3纳米纤维为通过多巴胺改性后的BaTiO3@Al2O3纳米纤维。4.一种如权利要求1所述的高能量密度、低介电损耗复合薄膜材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：（1）采用静电纺丝技术制备BaTiO3@Al2O3纳米纤维；（2）用多巴胺改性处理步骤（１）得到的BaTiO3@Al2O3纳米纤维；（3）将步骤（２）得到的表面改性的BaTiO3@Al2O3纳米纤维置于N，N-二甲基甲酰胺中，超声3-10min，然后磁力搅拌2-3h，形成稳定的悬浮液D；（4）向步骤（３）所得悬浮液D中加入PVDF，在40-60℃下磁力搅拌至PVDF完全溶解得到溶液E；;(5)把溶液E滴在旋涂仪的ITO玻璃上制备复合薄膜，其中旋涂仪的转速为3000转/分钟，旋涂时间为30秒；将该复合薄膜置于60-80℃下真空干燥10h，去除有机溶剂，得到复合薄膜A；（6）为了去除复合薄膜A中的缺陷（如气孔，表面杂质，平整度等），将复合薄膜A置于190-230℃下保温10-20min，随后放入冰水混合物进行淬火处理，在40-80℃下干燥5-10h，即得到优质的复合薄膜材料。5.根据权利要求４所述的高能量密度、低介电损耗复合薄膜材料的制备方法，其特征在于，...
【专利技术属性】
技术研发人员：翟继卫，潘仲彬，沈波，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海;31
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。