高介电弹性复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种高介电弹性复合材料及其制备方法和应用，复合材料包括：依次层叠分布的纳米陶瓷基弹性复合薄膜和纳米导电材料基弹性复合薄膜；纳米陶瓷基弹性复合薄膜包括陶瓷纳米材料和弹性聚合物基体材料，陶瓷纳米材料在弹性聚合物基体中呈三维网络结构分布；纳米导电材料基弹性复合薄膜包括导电纳米材料和弹性聚合物基体材料。本发明专利技术通过构建三维网络结构和异质薄膜的多级界面结构，实现了弹性复合薄膜在电场下界面极化与内电场调控的耦合效应，从而显著提高了复合材料的介电性能。同时这种微观结构设计优化了复合材料的力学性能。学性能。

【技术实现步骤摘要】
高介电弹性复合材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于柔性可拉伸电子器件
，具体涉及一种应用于柔性应变传感器的高介电、低损耗和低模量的弹性介电复合材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]柔性传感器作为信息采集和智能控制系统的核心组件，能够对多种信息进行采集、处理和反馈，其在智能机器人、仿生假体、航空航天及健康监测等领域具有广泛的应用前景。
[0003]传统基于金属和半导体材料的力学传感器，在变形性和灵敏度方面存在重大挑战，无法对机械装备或柔性基体所受的复合应力及应变进行实时的检测和反馈。低维的柔性力学传感器，具有自由变形、高灵敏度及易于穿戴等多方面优势，将极大改善机械装备的感知系统，有助于解决柔性器件、航天器及机器人等设备在运行状态检测、机体风险评估及智能控制等方面所面临的重大难题。
[0004]传统常用的介电复合材料在介电性能和力学性能之间存在倒置耦合关系，难以实现在优化材料介电性能的同时保持优异的力学柔韧性。因此，通过精细结构设计与制备方法创新来实现介电性能和力学性能的优化，是当前亟需解决的难题。

技术实现思路

[0005]本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的一个目的在于提出一种高介电弹性复合材料及其制备方法和应用。本专利技术设计了不同纳米材料分别在弹性基体中形成网络结构，并采用不同电导率的复合薄膜叠层组装，构建具有多级界面和内电场调控效应的复合介电材料模型，增强了复合材料在电场下的界面极化效应，从而显著增强介电复合材料的介电性能，并优化材料的力学性能。
[0006]在本专利技术的一个方面，本专利技术提出了一种新型的高介电弹性复合材料，根据本专利技术的实施例，所述高介电弹性复合材料包括：
[0007]依次层叠分布的纳米陶瓷基弹性复合薄膜和纳米导电材料基弹性复合薄膜，且所述高介电弹性复合材料的最外层为所述纳米陶瓷基弹性复合薄膜；
[0008]所述纳米陶瓷基弹性复合薄膜包括陶瓷纳米材料和弹性聚合物基体材料，所述陶瓷纳米材料在所述弹性聚合物基体中呈三维网络结构分布；
[0009]所述纳米导电材料基弹性复合薄膜包括导电纳米材料和弹性聚合物基体材料，所述导电纳米材料在所述弹性聚合物基体中呈三维网络结构分布。
[0010]所述纳米陶瓷基弹性复合薄膜和纳米导电材料基弹性复合薄膜的叠层复合结构通过热压形成致密的一体化的弹性复合材料。
[0011]根据本专利技术实施例的高介电弹性复合材料，设计了不同纳米材料(即陶瓷纳米材料和导电纳米材料)分别在弹性基体中形成网络结构，并采用不同电导率的复合薄膜(即纳米陶瓷基弹性复合薄膜和纳米导电材料基弹性复合薄膜)叠层组装，构建具有多级界面和
内电场调控效应的复合介电材料模型，增强了复合材料的界面极化效应和内电场调控作用。本专利技术采用纳米陶瓷基弹性复合薄膜和纳米导电材料基弹性复合薄膜叠层组装，一方面，在异质薄膜界面形成大的界面极化，通过界面极化有效提高复合材料的介电性能。另一方面，在复合材料中引入高电导率复合薄层(即纳米导电材料基弹性复合薄膜)，实现对复合材料内电场调控，结合三维网络分布结构，显著增强了陶瓷纳米材料的偶极子极化，提高了复合材料的介电性能；本专利技术制备的5层结构的复合薄膜的介电常数可达113.4(在1000Hz的频率下)，大约为聚氨酯材料的17倍，介电损耗约0.029。本专利技术制备的多层结构的复合材料共用相同的弹性基底，界面之间不存在显著缺陷，制备的复合薄膜具有低模量和非常优异的弹性性能，其断裂伸长率可达360％以上。
[0012]另外，根据本专利技术上述实施例的高介电弹性复合材料还可以具有如下附加的技术特征：
[0013]在本专利技术的一些实施例中，所述纳米陶瓷基弹性复合薄膜的厚度为5
‑
20微米。
[0014]在本专利技术的一些实施例中，所述纳米导电材料基弹性复合薄膜的厚度为5
‑
10微米。
[0015]在本专利技术的一些实施例中，在所述纳米陶瓷基弹性复合薄膜中，所述陶瓷纳米材料的体积占所述纳米陶瓷基弹性复合薄膜总体积的5％
‑
20％。
[0016]在本专利技术的一些实施例中，在所述纳米导电材料基弹性复合薄膜中，所述导电纳米材料的体积占所述纳米导电材料基弹性复合薄膜总体积的0.1％
‑
1％。
[0017]在本专利技术的一些实施例中，所述弹性聚合物基体材料选自聚氨酯和苯乙烯
‑
乙烯
‑
丁烯
‑
苯乙烯嵌段共聚物中的至少之一。
[0018]在本专利技术的一些实施例中，所述陶瓷纳米材料选自钛酸钡纳米颗粒、钛酸钡纳米棒、锆钛酸钡纳米颗粒、锆钛酸钡纳米棒、锆钛酸铅纳米颗粒和锆钛酸铅纳米棒中的至少之一。
[0019]在本专利技术的一些实施例中，所述导电纳米材料选自银纳米颗粒、银纳米线、碳纳米管和石墨烯中的至少之一。
[0020]在本专利技术的一些实施例中，在所述高介电弹性复合材料中，所述纳米陶瓷基弹性复合薄膜和所述纳米导电材料基弹性复合薄膜的总层数为3
‑
15层，且所述总层数为奇数。
[0021]在本专利技术的再一个方面，本专利技术提出了一种制备上述高介电弹性复合材料的方法。根据本专利技术的实施例，所述方法包括：
[0022](1)采用双推注的静电纺丝仪器，一端对弹性聚合物基体材料溶液进行纺丝，另一端对陶瓷纳米材料分散液进行同步静电喷涂，采用接收滚筒对静电纺丝的弹性纤维和静电喷雾的陶瓷纳米材料同步接收，以便得到纳米陶瓷基的弹性纤维复合薄膜；
[0023](2)采用双推注的静电纺丝仪器，一端对弹性聚合物基体材料溶液进行纺丝，另一端对导电纳米材料分散液进行同步静电喷涂，采用接收滚筒对静电纺丝的弹性纤维和静电喷雾的导电纳米材料同步接收，以便得到纳米导电材料基弹性纤维复合薄膜；
[0024](3)将所述纳米陶瓷基弹性复合薄膜与所述纳米导电材料基弹性纤维复合薄膜依次叠层组合，且所述纳米陶瓷基弹性复合薄膜置于最外层，采用热压机进行热压成型，以便得到致密的一体化的高介电弹性复合材料。
[0025]根据本专利技术实施例的制备上述高介电弹性复合材料的方法，该方法设计基于陶瓷
纳米材料与导电纳米材料的不同电导率的复合薄膜材料，对制备的不同复合材料薄膜进行叠层组装，构建具有大的二维空间界面的复合薄膜，增强复合材料在电场下的界面极化效应；同时通过高电导率的复合薄膜对多层结构复合材料内电场进行调控，并结合设计陶瓷纳米材料在弹性聚合物基体中形成三维网络分布结构，通过增强陶瓷纳米材料的偶极子极化效应来实现对弹性复合材料介电性能的进一步优化。该方法实现了对多种聚物材料与无机纳米材料的自组装设计，该方法克服了无机纳米材料在高粘度的聚合物材料中分散难度大的问题，实现纳米材料的分布可进行有序调控，为微观结构有序设计提供基础，同时实现复合薄膜的大面积制备。该方法结合热压工艺实现了多层复合薄膜的叠层制备，制备出高介电、低损耗及优异柔韧性的弹性复本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高介电弹性复合材料，其特征在于，包括：依次层叠分布的纳米陶瓷基弹性复合薄膜和纳米导电材料基弹性复合薄膜，且所述高介电弹性复合材料的最外层为所述纳米陶瓷基弹性复合薄膜；所述纳米陶瓷基弹性复合薄膜包括陶瓷纳米材料和弹性聚合物基体材料，所述陶瓷纳米材料在所述弹性聚合物基体材料表面呈三维网络结构分布；所述纳米导电材料基弹性复合薄膜包括导电纳米材料和弹性聚合物基体材料，所述导电纳米材料在所述弹性聚合物基体材料表面呈三维网络结构分布。2.根据权利要求1所述的高介电弹性复合材料，其特征在于，所述纳米陶瓷基弹性复合薄膜的厚度为5
‑
20微米；任选地，所述纳米导电材料基弹性复合薄膜的厚度为5
‑
10微米。3.根据权利要求1所述的高介电弹性复合材料，其特征在于，在所述纳米陶瓷基弹性复合薄膜中，所述陶瓷纳米材料的体积占所述纳米陶瓷基弹性复合薄膜总体积的5％
‑
20％；任选地，在所述纳米导电材料基弹性复合薄膜中，所述导电纳米材料的体积占所述纳米导电材料基弹性复合薄膜总体积的0.1％
‑
1％。4.根据权利要求1
‑
3任一项所述的高介电弹性复合材料，其特征在于，所述弹性聚合物基体材料选自聚氨酯和苯乙烯
‑
乙烯
‑
丁烯
‑
苯乙烯嵌段共聚物中的至少之一；任选地，所述陶瓷纳米材料选自钛酸钡纳米颗粒、钛酸钡纳米棒、锆钛酸钡纳米颗粒、锆钛酸钡纳米棒、锆钛酸铅纳米颗粒和锆钛酸铅纳米棒中的至少之一；任选地，所述导电纳米材料选自银纳米颗粒、银纳米线、碳纳米管和石墨烯中的至少之一。5.根据权利要求1
‑
3任一项所述的高介电弹性复合材料，其特征在于，在所述高介电弹性复合材料中，所述纳米陶瓷基弹性复合薄膜和所述纳米导电材料基弹性复合薄膜的总层数为3
‑
15层，且所述总层数为奇数。6.一种制备权利要求1
‑
5任一项所述的高介电弹性复合材料的方法，其特征在于，包括：(1)采用双推注的静电纺丝仪器，一端对弹性聚合物基体材料溶液进行纺丝，另一端对陶瓷纳米材料分散液进行同步静电喷涂，采用接收滚筒对静电纺丝的弹性纤维和静电喷雾的陶瓷纳米材料同步接收，溶剂在该过程中迅速挥发，以便得到纳米陶瓷基弹性纤维薄膜；(2)采用双推注的静电纺丝仪器，一端对弹性聚合物基体材料溶液进行纺丝，另一端对导电纳米材料分散液进行同步静电喷涂，采用接收滚筒对静电纺丝的弹性纤维和静电喷雾的导电纳米材料同步接收，溶剂在该过程中迅速挥发，以...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈洋，范友军，南策文，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：