多层膜电容器制造技术

本发明专利技术公开了一种多层膜电容器，其具有设置在两个电极之间的复合堆叠，其中该复合堆叠包括至少一个热塑性导电层和至少一个热塑性绝缘层。该导电层的总厚度为绝缘层的总厚度的至少3倍。该导电层可以包含以高于渗滤阈值的浓度与导电颗粒共混的热塑性聚合物。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】多层膜电容器
技术介绍
电容器可通过将金属层附接到电介质材料的相反表面上来制成。电介质材料的物理和几何特性确定了电容器的电容和其他特性。在许多应用中，期望电容器具有高能量密度和低耗散性。使用聚合物膜用于电介质材料的电容器与基于陶瓷的电容器相比具有某些优点，诸如改善的高温度特性、低耗散因数和改善的机械应力耐受性。然而，聚合物膜电容器通常不能够实现比约1J/cc高得多的能量密度。因此，存在对于改善的聚合物膜电容器的需要。
技术实现思路
符合本说明书的电容器包括设置在第一电极和第二电极之间的复合堆叠。该复合堆叠包括一个或多个热塑性导电层和与该一个或多个热塑性导电层相邻地设置的一个或多个热塑性绝缘层。一个或多个热塑性导电层具有大于一个或多个热塑性绝缘层的总厚度3倍的总厚度。符合本说明书的电容器包括设置在第一电极和第二电极之间的复合堆叠。该复合堆叠包括两个或更多个热塑性导电层和散布于该两个或更多个热塑性导电层之间的两个或更多个热塑性绝缘层。两个或更多个热塑性导电层中的至少一个热塑性导电层包含以高于渗滤阈值的浓度与多个导电颗粒共混的热塑性聚合物。符合本说明书的方法包括共挤出材料以形成电容器的至少一部分。附图说明图1是电容器的示意性剖视图；图2为绝缘层的示意性剖视图；图3是用于共挤出和拉伸在复合堆叠中的层的系统的示图；图4是示出作为各种材料的频率的函数的电导率的曲线图；图5A是示出作为纯聚丙烯的频率和负载炭黑的聚丙烯的频率的函数的电介质函数的实部的曲线图；图5B是示出作为纯聚丙烯的频率和负载炭黑的聚丙烯的频率的函数的电导率的曲线图；图6A是示出作为频率的函数的用于复合堆叠的有效电介质函数的实部的曲线图；并且图6B是示出作为频率的函数的用于复合堆叠的损耗角正切的曲线图。具体实施方式在以下说明中参考附图，该附图形成本说明的一部分并且其中通过举例说明的方式示出。附图未必按比例绘制。应当理解，在不脱离本公开的范围或实质的情况下，可设想并进行其他实施方案。因此，以下的详细说明不应被视为具有限制意义。本说明书的实施方案包括具有包含至少两个膜层的复合堆叠的电容器，其中层中的至少一个层是热塑性绝缘层并且层中的至少一个层是热塑性导电层。已发现，可以通过适当地选择用于绝缘层和导电层的材料以及通过适当地挑选层厚度来实现电容器的期望电特性。可以根据复合堆叠的有效电介质函数描述电容器的许多期望的电特性。复合堆叠的有效电介质函数可以定义为其中C是当放置在平面电极之间时的复合堆叠的电容，A是在平面电极之间的复合堆叠的表面积，d是复合堆叠的厚度，并且是自由空间的电容率。在层状材料中，作为电场和相对电容率(即电介质函数)的乘积的位移场的垂直分量跨越层是连续的。该条件确定了对于给定施加电荷的电容器上的电压分布，并且这允许确定电容，并且因此确定有效电介质函数。所得的有效电介质函数可表达为：其中di是层i的厚度，d＝∑di是堆叠的厚度，并且是层i的电介质函数(相对电容率)。因此，用于多层堆叠的有效电介质函数由各个层的层厚度和电介质函数确定。可以根据导电层的总厚度TC和绝缘层的总厚度TI来描述具有一个或多个导电层和一个或多个绝缘层的复合堆叠。已发现，可以通过适当地选择厚度比TC/TI来调节复合堆叠的电介质特性。例如，已发现低频有效电介质函数通常随着TC/TI的增加而增加。在一些实施方案中，TC/TI大于约2，或大于约3，或大于约4，或大于约5，或大于约6，或大于约7，或大于约8，并且可以小于约100或小于约50。在一些实施方案中，导电层为包含多个导电颗粒的聚合物或聚合物的共混物，其中以高于渗滤阈值的浓度包括导电颗粒，使得形成导电网络。此类导电聚合物复合物的电导率可以通过改变导电颗粒的浓度和/或通过挑选所使用的导电颗粒的类型来调节。如本文所用，颗粒是指任何粒状填料且此类颗粒可具有以下形状：球形或非球形、薄片、线或晶须、杆形或其他形状。导电颗粒可以是炭黑、碳纤维、乙炔黑、可分散的石墨烯、单壁或多壁碳纳米管、金属颗粒诸如银薄片或银纳米颗粒，或它们的组合。在一些实施方案中，导电颗粒是具有小于1微米的至少一个维度的纳米颗粒，并且在一些实施方案中，导电颗粒是具有小于100纳米的至少一个维度的纳米颗粒。在一些实施方案中，导电颗粒具有在10nm-500nm范围内或在10nm-100nm范围内的至少一个维度。在一些实施方案中，导电颗粒的电导率大于约1S/cm，或大于约10S/cm，或大于约100S/cm，并且可以小于约106S/cm或小于约105S/cm。复合导电层的电介质特性取决于在层中所使用的聚合物以及聚合物中的添加剂的挑选。用于增加导电层和/或非导电层的电介质函数的添加剂可以与导电层和/或非导电层的聚合物材料混合、共混、复合或换句话讲结合。示例性添加剂包含BaTiO3、锆钛酸铅(PZT)、PT(钛酸铅)和PT复合材料以及它们的组合；其他示例包括氧化锆、片状脱落的粘土等。在本说明书的许多实施方案中，复合堆叠是含有热塑性导电层和热塑性绝缘层的多层膜堆叠。如本文所用，“热塑性”材料是指具有熔融流动特性的聚合物或聚合物复合物，使得材料能够被熔融处理并通过模具或其他挤出部件挤出。此类材料还可以指可挤出的材料。用于挤出或共挤出的处理条件可以取决于用于导电层和绝缘层的材料。通常，选出挤出条件以便以连续稳定的方式将材料流充分地给料、熔融、混合和泵送。最终熔融流温度在一定范围内选出，这避免在该温度范围的低端处发生的冻结、结晶或不当高压降，并避免在该温度范围的高端处发生的降解。用于热塑性绝缘层和/或用于热塑性导电层(前提条件是添加导电颗粒以使该层导电)的合适材料包含丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、丙烯酸类树脂、纤维素、环烯烃共聚物(COC)、烯烃嵌段共聚物诸如由陶氏化学公司(DowChemical)以商品名INFUSE出售的那些、乙烯乙酸乙烯酯(EVA)、乙烯乙烯醇(EVOH)、聚酰胺、聚酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚氨酯、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、低密度聚乙烯(LDPE)、聚碳酸酯(PC)、聚醚醚酮(PEEK)、聚乙烯亚胺(PEI)、聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)、含氟聚合物、聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚砜、苯乙烯丙烯腈(SAN)、有机硅弹性体、丙烯酸弹性体、甲基丙烯酸酯共聚物、聚氨酯、聚丁二烯、热塑性弹性体、聚丁二烯-丙烯腈共聚物、基于苯乙烯的共聚物诸如由科腾聚合物公司(KRATONPolymers)以商品名KRATON出售的苯乙烯乙烯丁二烯苯乙烯，以及它们的组合。用于复合堆叠的有效电介质函数具有谐振频率，其可以被定义为在有效电介质函数的虚部具有最大值的情况下的频率。用于复合堆叠的有效损耗角正切由有效电介质函数的虚部与有效电介质函数的实部之间的比率给出。已发现，可以选出导电层的层厚度和电导率和电介质特性以给出高的低频有效电介质函数、高谐振频率和低有效损耗角正切。在一些实施方案中，在60Hz的频率下有效电介质函数的实部大于约10，或大于约15，或大于约18，或大于约20，或大于约25，并且可以小于约200或小于约100。在一些实施方案中，复合堆叠具有有效电介质函数，其具有大于约60Hz，或大于约1kHz，或本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电容器，所述电容器包括：第一电极、第二电极以及设置在所述第一电极和所述第二电极之间的复合堆叠；其中所述复合堆叠包括：一个或多个热塑性导电层；与所述一个或多个热塑性导电层相邻地设置的一个或多个热塑性绝缘层；并且其中所述一个或多个热塑性导电层具有TC的总厚度，所述一个或多个热塑性绝缘层具有TI的总厚度，并且TC/TI大于3。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.12.18 US 14/574,7801.一种电容器，所述电容器包括：第一电极、第二电极以及设置在所述第一电极和所述第二电极之间的复合堆叠；其中所述复合堆叠包括：一个或多个热塑性导电层；与所述一个或多个热塑性导电层相邻地设置的一个或多个热塑性绝缘层；并且其中所述一个或多个热塑性导电层具有TC的总厚度，所述一个或多个热塑性绝缘层具有TI的总厚度，并且TC/TI大于3。2.根据权利要求1所述的电容器，其中所述复合堆叠包括两个或更多个热塑性导电层，并且至少一个热塑性绝缘层将每个热塑性导电层隔开。3.根据权利要求1所述的电容器，其中所述一个或多个热塑性绝缘层中的至少一个热塑性绝缘层包括多个绝缘亚层。4.根据权利要求3所述的电容器，其中所述多个绝缘亚层包括第一绝缘热塑性聚合物和与所述第一绝缘热塑性聚合物不同的第二绝缘热塑性聚合物的交替堆叠。5.根据权利要求1所述的电容器，其中TC/TI大于5。6.根据权利要求1所述的电容器，其中所述一个或多个热塑性导电层中的每个热塑性导电层在60Hz的频率下具有大于约10-6S/m的平面外电导率。7.根据权利要求1所述的电容器，其中所述一个或多个热塑性导电层中的至少一个热塑性导电层包含以高于渗滤阈值的浓度与多个导电颗粒共混的热塑性聚合物。8.根据权利要求1所述的电容器，其中所述复合堆叠在60Hz的频率下具有实部大于约18的有效电介质函数。9.根据权利要求1所述的电容器，其中所述复合堆叠在大于约60Hz的频率下具有带有谐振的有效电介质函数。10.根据权利要求9所述的电容器，其中所述谐振处于大于约1MHz的频率。11.根据权利要求1所述的电容器，其中所述复合堆叠在介于1Hz和10MHz之间的频率下具有小于0.001的有效损耗角正切。12.一种电容器，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒂莫西·J·内维特，奥努尔·S·约尔德姆，大卫·T·尤斯特，查尔斯·D·霍伊尔，
申请(专利权)人：三M创新有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US