基于高储能效率的新型二维纳米复合介电材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种基于高储能效率的新型二维纳米复合介电材料的制备方法。常见电容器材料有聚合物材料和铁电陶瓷材料两类，均存在各自问题。本发明专利技术方法首先采用水热共沉淀法合成Zn(1‑x)MxO@MoS2纳米粉末，其中Zn(1‑x)MxO纳米颗粒为二维纳米复合填料，是对ZnO纳米颗粒进行处理，掺杂其他金属颗粒Co、Ni或Fe形成的复合结构。将聚合物完全溶解在极性溶液中，形成聚合物溶液。然后将Zn(1‑x)MxO@MoS2纳米粉末添加到聚合物溶液中，搅拌形成混合液。将混合液超声、搅拌重复处理多次，形成悬浮液，将悬浮液制备薄膜，最后将薄膜保温、淬火处理后得到复合薄膜材料。本发明专利技术方法制备的复合薄膜具有韧性好、厚度薄、介电常数高、储能密度高、损耗小的特点，制备方法简单，易于大批量生产。

Fabrication of New Two-Dimensional Nanocomposite Dielectric Materials Based on High Energy Storage Efficiency

The invention relates to a preparation method of a novel two-dimensional nanocomposite dielectric material based on high energy storage efficiency. Common capacitor materials are polymer materials and ferroelectric ceramics materials, which have their own problems. The method of the invention firstly synthesizes Zn(1_x)MxO@MoS2 nano-powder by hydrothermal coprecipitation method, in which the Zn(1_x)MxO nano-particle is a two-dimensional nano-composite filler, which is a composite structure formed by treating the ZnO nano-particle and doping other metal particles Co, Ni or Fe. The polymer solution is formed by dissolving the polymer completely in polar solution. Then Zn(1_x)MxO@MoS2 nano-powder was added to the polymer solution and stirred to form a mixture. The mixed liquid was treated repeatedly by ultrasonic and stirring to form suspension. The suspension was used to prepare thin film. Finally, the composite thin film material was obtained by heat preservation and quenching. The composite film prepared by the method of the invention has the advantages of good toughness, thin thickness, high dielectric constant, high energy storage density and low loss, simple preparation method and easy mass production.

【技术实现步骤摘要】
基于高储能效率的新型二维纳米复合介电材料的制备方法
本专利技术属于功能材料制备
，涉及一种基于高储能效率的新型二维纳米复合介电材料的制备方法，具体是一种单层MoS2纳米片去包裹掺杂其他金属颗粒的ZnO纳米颗粒和聚合物基复合高性能电介质薄膜材料的制备方法。
技术介绍
随着信息技术的发展，在几乎所有的电子设备和微电子领域，电介质都是至关重要的，诸如半导体场效应晶体管、动态随机存储器以及随着印刷线路板上电容器材料的尺寸大小迅速减小，研究轻薄的新型高介电介质材料成为当今信息功能材料以及微电子领域的前沿课题。尺寸微小但功能尚在的元件可以使设备小型化，降低成本，提高电子产品的电气性能。在此类元件中，电容器得到广泛的关注，它可以起到退耦、旁路、滤波等作用。电容器材料要求具有高介电常数、高极化值、低介质损耗和高电场强度。常见电容器材料有聚合物材料和铁电陶瓷材料两类，聚合物拥有较高的杨氏模量和高介电场强，聚合物的击穿场强接近400MV/m，但是介电常数较低，影响储能密度，如常见的聚合物复合材料聚丙烯(PP)的介电常数在2～3之间，含氟聚合物PVDF的介电常数为8～10之间。如果要提高聚合物的介电常数，其中一种方式是往聚合物中添加无机粒子，如石墨烯、二硫化钼、氧化锌等，但是如果单单加入无机粒子，聚合物的击穿强度会大幅度降低，因此如何权衡两者之间优势，制备出具有高电场强度和高电位移，低剩余极化、低损耗的高介电复合材料非常有意义。为了提高添加无机粒子后的聚合物的击穿强度，可以对导电粒子进行改性。将改性后的无机粒子作为填料加入聚合物中进行复合，开发出聚合物/新型复合纳米填料这种新的结构设计，获得具有高介电常数的纳米粉末，并使无机粒子能均匀分散在聚合物基体中组成复合体系。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有技术上存在的薄弱环节，提供的一基于高储能效率的新型二维纳米复合介电材料的制备方法。本专利技术具体方法如下：步骤1.采用水热共沉淀法合成Zn(1-x)MxO@MoS2纳米粉末,具体方法是：(1)将聚醚酰亚胺(PEI)加入L升去离子水中充分溶解，然后加入Zn(1-x)MxO纳米颗粒，每升去离子水中加入1～4g聚醚酰亚胺、0.5～2gZn(1-x)MxO纳米颗粒；再加入L/30～L/20升的去离子水,超声并搅拌至纳米粉末分散在去离子水中,得到聚醚酰亚胺和Zn(1-x)MxO的混合液，混合液保持0.5～1h，形成Zn(1-x)MxO-PEI混合形式溶液；所述的Zn(1-x)MxO纳米颗粒为二维纳米复合填料，是对ZnO纳米颗粒进行处理，掺杂其他金属颗粒M形成的复合结构，其他金属颗粒为Co、Ni或Fe，x＝0.1～0.8。(2)将MoS2溶于去离子水中,混合液体超声并搅拌2～10次，得到MoS2混合液；每升去离子水中加入0.5～5g的MoS2。(3)将L/30～L/20升的MoS2混合液倒入Zn(1-x)MxO-PEI混合形式溶液中，超声处理0.5～1h，形成MoS2-PEI-Zn(1-x)MxO结构溶液。(4)对MoS2-PEI-Zn(1-x)MxO结构溶液进行离心分离，所得混合物通过去离子水和乙醇清洗2～10次并干燥,得到壳核结构的Zn(1-x)MxO@MoS2纳米粉末。得到的Zn(1-x)MxO@MoS2纳米粉末的粒径R在1～100nm之间，尺寸足够小便于增加填料和聚合物间的接触面积，易于在聚合物中分散开，进而提升薄膜的介电性能。步骤2.将聚合物添加到装有磁力搅拌器的极性溶液中，充分搅拌，直至完全溶解，形成澄清透明的聚合物溶液；每升极性溶液中加入1～100g的聚合物；所述的聚合物为聚偏氟乙烯PVDF或基于PVDF的P(VDF-CTFE)、P(VDF-TrFE)、P(VDF-CTFE-TrFE)、P(VDF-HFP)中的一种；所述的极性溶液为DMF、NMP或DMAC的分析纯溶剂。步骤3.将Zn(1-x)MxO@MoS2纳米粉末添加到聚合物溶液中，放入磁力搅拌器，搅拌至无沉淀出现，形成混合液；每升聚合物溶液加入0.1～10g的Zn(1-x)MxO@MoS2纳米粉末。步骤4.将混合液放入超声机超声0.5～1h，取出后再搅拌0.5～1h，如此重复2～10次，最后一次搅拌前加入过氧化二苯甲酰(BPO)作为交联剂，形成悬浮液，每升混合液加入0.5～2g的交联剂。步骤5.将悬浮液均匀涂覆到玻片上，或者采用流延机流延出厚度为5～50μm的复合材料膜，70～100℃下加热1～2h，使溶剂完全蒸发，得到薄膜。步骤6.将薄膜在180～220℃下保温0.5～3h，随后立即放入-196～0℃的低温环境中淬火处理3～10min，得到复合薄膜材料。本专利技术对ZnO纳米颗粒进行处理，掺杂其他金属颗粒Zn(1-x)MxO形成复合结构，再用单层MoS2片状纳米粉对Zn(1-x)MxO进行包裹形成Zn(1-x)MxO@MoS2纳米壳核结构，其他金属颗粒为Co、Ni或Fe。这样既克服了单单添加MoS2导致薄膜击穿强度大大减弱，同时又能使薄膜材料的介电损耗得到一定的减少以此来使其储能效率提高。另外采用常见的聚偏氟乙烯PVDF等作为基底，加入交联剂提高填料与聚合物之间的相容性，制备出具有较高击穿强度、更高储能密度和储能效率的复合薄膜材料。本专利技术将Zn(1-x)MxO纳米颗粒与MoS2纳米片进行复合,制备出了Zn(1-x)MxO@MoS2壳核结构的纳米粉末，使用该种纳米粉末作为填料，相较于MoS2,既使击穿强度得到提高，又降低了介电损耗，从而提高薄膜材料的储能效率。本专利技术在制备复合材料悬浮液过程中，采用多次循环搅拌和超声振荡的方式，可以进一步减小填料在聚合物中的团聚，充分提高填料的分散性，成型薄膜的质量大大提高。本专利技术所制备的Zn(1-x)MxO@MoS2纳米粉末，粒径一般在1～100nm之间，尺寸足够小以便于增加填料和聚合物间的接触面积，易于在聚合物中分散开，进而提升薄膜的介电性能。在上述优势协同作用下，薄膜的性能获得了良好的效果。本专利技术制备的复合薄膜具有韧性好、厚度薄、介电常数高、储能密度高、损耗小的特点，制备方法简单，易于大批量生产。附图说明图1为纳米级Zn0.8Co0.2O@MoS2的X射线衍射图(XRD)；图2(a)为纳米级Zn0.8Co0.2O@MoS2壳核材料的TEM图；图2(b)为纳米级Zn0.8Co0.2O@MoS2壳核材料的高分辨率TEM图；图3为Zn0.8Co0.2O纳米颗粒和Zn0.8Co0.2O@MoS2壳核结构的对比拉曼图；图4(a)为利用Zn0.8Co0.2O纳米颗粒制作的复合薄膜材料的介电常数图；图4(b)为利用Zn0.8Co0.2O纳米颗粒制作的复合薄膜材料的介电损耗图；图4(c)为利用Zn0.8Co0.2O纳米颗粒制作的复合薄膜材料的释放能量密度、损耗能量密度和效率图。具体实施方式基于高储能效率的新型二维纳米复合介电材料的制备方法，该方法第一步首先采用水热共沉淀法合成Zn(1-x)MxO@MoS2纳米粉末。实施例1.首先将40g聚醚酰亚胺(PEI)加入10升去离子水中充分溶解，然后加入10gZn0.9Co0.1O纳米颗粒，再加入500ml的去离子水,超声并搅拌至纳米粉末分散在去离子水中,得到聚醚酰亚胺和Zn0.9Co0.1O的混合本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于高储能效率的新型二维纳米复合介电材料的制备方法，其特征在于该方法具体如下：步骤1.采用水热共沉淀法合成Zn(1‑x)MxO@MoS2纳米粉末,具体方法是：(1)将聚醚酰亚胺加入L升去离子水中充分溶解，然后加入Zn(1‑x)MxO纳米颗粒，每升去离子水中加入1～4g聚醚酰亚胺、0.5～2g Zn(1‑x)MxO纳米颗粒；再加入L/30～L/20升的去离子水,超声并搅拌至纳米粉末分散在去离子水中,得到聚醚酰亚胺和Zn(1‑x)MxO的混合液，混合液保持0.5～1h，形成Zn(1‑x)MxO‑PEI混合形式溶液；(2)将MoS2溶于去离子水中,混合液体超声并搅拌2～10次，得到MoS2混合液；每升去离子水中加入0.5～5g的MoS2；(3)将L/30～L/20升的MoS2混合液倒入Zn(1‑x)MxO‑PEI混合形式溶液中，超声处理0.5～1h，形成MoS2‑PEI‑Zn(1‑x)MxO结构溶液；(4)对MoS2‑PEI‑Zn(1‑x)MxO结构溶液进行离心分离，所得混合物通过去离子水和乙醇清洗2～10次并干燥,得到壳核结构的Zn(1‑x)MxO@MoS2纳米粉末；步骤2.将聚合物添加到装有磁力搅拌器的极性溶液中，充分搅拌，直至完全溶解，形成澄清透明的聚合物溶液；每升极性溶液中加入1～100g的聚合物；步骤3.将Zn(1‑x)MxO@MoS2纳米粉末添加到聚合物溶液中，放入磁力搅拌器，搅拌至无沉淀出现，形成混合液；每升聚合物溶液加入0.1～10g的Zn(1‑x)MxO@MoS2纳米粉末；步骤4.将混合液放入超声机超声0.5～1h，取出后再搅拌0.5～1h，如此重复2～10次，最后一次搅拌前加入过氧化二苯甲酰作为交联剂，形成悬浮液，每升混合液加入0.5～2g的交联剂；步骤5.将悬浮液均匀涂覆到玻片上，或者采用流延机流延出厚度为5～50μm的复合材料膜，70～100℃下加热1～2h，使溶剂完全蒸发，得到薄膜；步骤6.将薄膜在180～220℃下保温0.5～3h，随后立即放入‑196～0℃的低温环境中淬火处理3～10min，得到复合薄膜材料。...

【技术特征摘要】
1.基于高储能效率的新型二维纳米复合介电材料的制备方法，其特征在于该方法具体如下：步骤1.采用水热共沉淀法合成Zn(1-x)MxO@MoS2纳米粉末,具体方法是：(1)将聚醚酰亚胺加入L升去离子水中充分溶解，然后加入Zn(1-x)MxO纳米颗粒，每升去离子水中加入1～4g聚醚酰亚胺、0.5～2gZn(1-x)MxO纳米颗粒；再加入L/30～L/20升的去离子水,超声并搅拌至纳米粉末分散在去离子水中,得到聚醚酰亚胺和Zn(1-x)MxO的混合液，混合液保持0.5～1h，形成Zn(1-x)MxO-PEI混合形式溶液；(2)将MoS2溶于去离子水中,混合液体超声并搅拌2～10次，得到MoS2混合液；每升去离子水中加入0.5～5g的MoS2；(3)将L/30～L/20升的MoS2混合液倒入Zn(1-x)MxO-PEI混合形式溶液中，超声处理0.5～1h，形成MoS2-PEI-Zn(1-x)MxO结构溶液；(4)对MoS2-PEI-Zn(1-x)MxO结构溶液进行离心分离，所得混合物通过去离子水和乙醇清洗2～10次并干燥,得到壳核结构的Zn(1-x)MxO@MoS2纳米粉末；步骤2.将聚合物添加到装有磁力搅拌器的极性溶液中，充分搅拌，直至完全溶解，形成澄清透明的聚合物溶液；每升极性溶液中加入1～100g的聚合物；步骤3.将Zn(1-x)MxO@MoS2纳米粉末添加到聚合物溶液中，放入磁力搅拌器，搅拌至无沉淀出现...

【专利技术属性】
技术研发人员：汶飞，叶剑飞，周炳，李丽丽，王高峰，吴薇，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33