具有纳米结构嵌段共聚物的多层电介质膜制造技术

所公开的概念涉及具有纳米或微米结构嵌段共聚物的多层电介质膜，如(但不限于)二嵌段共聚物和三嵌段共聚物，并且更确切地说，涉及由所述膜构成的电容器。更确切地说，所公开的概念通过选择和组合展现不同电特性和/或机械特性的嵌段而提供调节或控制电介质膜和由其形成的电容器的一种或多种特征的能力。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有纳米结构嵌段共聚物的多层电介质膜相关申请的交叉引用本申请根据35U.S.C.§119(e)要求2015年3月2日提交的名称为“具有纳米结构嵌段共聚物的多层电介质膜”的美国临时专利申请序号62/127,045的优先权，所述临时专利申请以引用的方式并入本文中。
所公开的概念大体上涉及具有纳米或微米结构嵌段共聚物的多层电介质膜，并且更确切地说，涉及由其构建的电容器。所公开的概念还涉及用于制备所述膜和所述电容器的方法。
技术介绍
纳米技术是在包括电化学领域的广泛多种技术的开发和发展中日益采用的概念。已经研究并且开发纳米尺寸和微米尺寸的材料用于能量储存和转换装置，如电容器。电容器用于在电场施加下静电储存能量。常规电容器包括由电介质材料或薄片分隔的两块金属板或薄片。金属薄片和电介质薄片可堆叠形成交替层。电容器的效率通常取决于电介质材料的选择、层排列、电介质材料与金属板或薄片之间的介面以及温度。图1示出了根据现有技术的常规电容器1，其包括金属盖2、电线3和呈卷绕构造的电介质5和金属7的交替膜。电介质5和金属7的交替膜的数目可变化，并且可包括两层电介质5和两片金属7，如图1中所示。所属领域中已知的电介质材料是单个聚合物，如聚丙烯。电介质5是由单个聚合物构成并因此，所得电容器1的性能通常是由单个聚合物，例如双轴取向聚丙烯(BOPP)的特性和取向来决定。电容器1可使用所属领域中已知的传统制造技术形成。举例来说，已知挤压聚丙烯膜、堆叠聚丙烯膜与金属薄片并且将堆叠形成卷绕构造得到卷绕式电容器。所属领域中需要具有改进特性的电容器并因此，需要具有如(但不限于)高介电强度的改进特性的电介质。除了如(但不限于)高介电常数的其它所期望的特性以外，电介质展现高强度将是有利的。举例来说，已知聚丙烯用作电介质是因为其具有高击穿强度。然而，聚丙烯的介电常数仅为2.2并因此存在关于可储存多少能量的限制。相比之下，聚偏二氟乙烯(PVDF)具有高介电常数，例如大于15，并且可储存大量能量，但是具有较差介电强度并因此无法用于高电压应用。电容器能够储存大量能量同时能够用于高电压应用将是有利的。因此，电介质材料和由其形成的电容器存在改进空间。
技术实现思路
需要新的电介质并且这一需要和其它需要由所公开概念的实施例来满足，所述实施例是针对包括纳米和微米结构嵌段共聚物的多层电介质膜，其能够提供如高介电强度、高温、化学耐性和高介电常数的特性组合以改进电容器性能。在一方面，所公开的概念提供一种电介质膜，其包括具有至少两种不同嵌段的嵌段共聚物。在某些实施例中，嵌段共聚物可为二嵌段共聚物或三嵌段共聚物。至少两种不同嵌段中的每一种自组装成相分离纳米结构。嵌段共聚物可相分离以形成片层、圆柱形、球形或螺旋形结构。两种不同嵌段各自基于其特性而选择。在某些实施例中，一种嵌段可因为其展现高电介质击穿强度而被选择，并且另一种嵌段可因为其展现高温电气强度或高电容率而被选择。两种不同嵌段各自可选自广泛多种聚合物，包括聚丙烯、聚偏二氟乙烯、聚醚醚酮和聚苯硫醚。在某些实施例中，电介质膜另外包括选自纳米填料和微米填料的填料。填料可包括有机纳米填料、无机纳米填料、有机微米填料、无机微米填料及其混合物。在某些实施例中，填料可选自例如(但不限于)碳纳米管、石墨烯、二氧化硅、氧化铝、钛酸盐及其混合物。钛酸盐可选自二氧化钛、钛酸钡及其混合物。至少两种不同嵌段各自可基于其展现所需特性的能力而选择。在某些实施例中，一种嵌段可展现高电介质击穿强度并且另一种嵌段可展现高温电气强度。在其它实施例中，至少两种不同嵌段中的一种可展现高电介质击穿强度并且另一种嵌段可展现高电容率。在又其它实施例中，至少两种不同嵌段中的一种可展现高电介质击穿强度，另一种嵌段可展现高温电气强度并且另一种嵌段可展现高电容率。另外，其中存在选自纳米填料和微米填料的填料，电介质膜可展现高电介质击穿强度、高温电气强度、高电容率和高介电常数中的一个或多个。在另一方面，所公开的概念提供一种制备薄膜电容器的方法。所述方法包括获得具有至少两种不同嵌段的嵌段共聚物，使至少两种不同嵌段自组装形成薄膜电介质中的交替层，以及卷绕薄膜电介质和金属层形成呈卷绕式构造的电容器。获得嵌段共聚物可包括组合并且聚合嵌段共聚物前体和填料。选择嵌段共聚物前体可基于其特性并且可包括选择一种展现高电介质击穿强度的嵌段共聚物前体和选择另一种展现高温电气强度或高电容率的嵌段共聚物前体。组合步骤可包括将填料与一种嵌段组合形成填料/嵌段材料并且将填料/嵌段材料与另一种嵌段混合。所述方法可另外包括将填料局部分散于电介质中，其中所述填料可具有选自球形、管状和分层的微米/分子结构。附图说明当结合附图理解时可从下文优选实施例的描述获得对所公开的概念的充分理解，在附图中：图1是显示根据现有技术的常规电容器的示意图；图2是根据现有技术的各种嵌段共聚物形态和结构的说明；图3是显示根据现有技术的常规挤压设备的示意图；图4是根据所公开的概念的某些实施例的一卷纳米结构嵌段共聚物膜的相片；图5是显示根据所公开的概念的某些实施例的呈卷绕构造的电容器的相片；以及图6是显示根据所公开的概念的某些实施例的纳米结构嵌段共聚物和金属膜的交替层的示意图。具体实施方式所公开的概念涉及具有纳米或微米结构嵌段共聚物的多层电介质膜。另外，所公开的概念包括用所述多层电介质膜构建的电容器。所公开的概念还涉及制备所述电介质膜和所述电容器的方法。根据所公开的概念的多层电介质膜包括具有至少两种不同嵌段的嵌段共聚物。在某些实施例中，嵌段共聚物是二嵌段共聚物或三嵌段共聚物。嵌段共聚物一般具有相分离和自组装的能力。自组装是热力学驱动的并且与单体不同，嵌段共聚物具有彼此分离的倾向。自组装的机制可描述为在熵作用与焓作用之间竞争的结果。嵌段共聚物可自组装成各种形态或结构。图2是说明这类形态或结构的示意图。如图2中所示，嵌段共聚物可自组装成包括分层、圆柱形、螺旋形和球形的结构。特定结构可取决于体积分数和嵌段共聚物相互作用参数。另外，嵌段共聚物可在两个聚合物之间提供无缺陷介面，这也提高系统的固有电荷携带容量。在某些实施例中，所公开的概念中所采用的嵌段共聚物自组装成薄膜。在二嵌段共聚物的实施例中，薄膜包括每一种嵌段的交替层。举例来说，其中二嵌段共聚物具有嵌段A和嵌段B，其自组装成具有嵌段A和嵌段B的交替层的例如数十纳米数量级厚度的薄膜。另外，在其它实施例中，薄膜可包括多层嵌段A与多层嵌段B交替或多个层嵌段A与单层嵌段B交替。此外，在三嵌段共聚物的实施例中，薄膜可包括嵌段A、嵌段B和嵌段C的交替层的各种构造。薄膜可作为电介质材料用于形成电容器。各种电容器是所属领域中已知的。在一个实施例中，薄膜卷绕形成卷绕式电容器。形成嵌段共聚物的嵌段可各自具有不同机械特性和/或电特性。在某些实施例中，嵌段共聚物是通过组合前体(例如单体)并且使前体聚合形成嵌段共聚物而制备。每一种嵌段，例如衍生嵌段的单体，可基于其特定特性和强度而选择。举例来说，二嵌段共聚物可包括一种因为展示高介电强度而选择的嵌段和另一种因为展示高介电常数、但也展示低介电强度而选择的嵌段。因此，这两种嵌段的组合可提供展现高介电强度和高介电常数的电介质。在某些实施例中，每一种嵌段可因为其展现不止一个所本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电介质膜，包含：具有至少两种不同嵌段的嵌段共聚物，其中所述至少两种不同嵌段中的每一种自组装形成所述电介质膜内的交替层。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.03.02 US 62/1270451.一种电介质膜，包含：具有至少两种不同嵌段的嵌段共聚物，其中所述至少两种不同嵌段中的每一种自组装形成所述电介质膜内的交替层。2.根据权利要求1所述的电介质膜，其中所述两种不同嵌段各自选自不同聚合物，包括(但不限于)聚丙烯、聚偏二氟乙烯、聚醚醚酮和聚苯硫醚。3.根据权利要求1所述的电介质膜，另外包含选自纳米填料、微米填料及其混合物的填料，其中所述填料选自由以下组成的群组：碳纳米管、石墨烯、二氧化硅、氧化铝、钛酸盐及其混合物。4.根据权利要求1所述的电介质膜，其中一种嵌段展现高电介质击穿强度并且另一种嵌段展现高温电气强度。5.根据权利要求1所述的电介质膜，其中至少两种不同嵌段中的一种展现高电介质击穿强度并且另一种嵌段展现高电容率。6.根据权利要求1所述的电介质膜，其中至少两种不同嵌段中的一种展现高电介质击穿强度，另一种嵌段展现高温电气强度并且另一种嵌段展现高电容率。7.根据权利要求1所述的电介质膜，其中所述嵌段各自基于聚合物电容率的频率依赖性而选择，以使得由所述电介质膜形成的电容器的特性能够经调节以用于特定特征频率。8.根据权利要求1所述的电介质膜，其中一种嵌段所形成的层与由另一种嵌段所形成的层相比玻璃...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·潘卡杰，J·A·麦普克尔，C·李，S·J·里格比，
申请(专利权)人：库珀技术公司，
类型：发明
国别省市：美国,US