高介电常数及储能密度的复合材料及其制备与应用制造技术

本发明专利技术公开了高介电常数及储能密度的复合材料及其制备与应用。其中所述复合材料包括以下原料组分：粒径为20

【技术实现步骤摘要】
高介电常数及储能密度的复合材料及其制备与应用


[0001]本专利技术涉及聚合物基复合材料的


技术介绍

[0002]高储能密度电容器可以大大缩小脉冲储能电源系统的体积，有机薄膜作为介质材料可以减轻脉冲储能电源系统的重量，因此目前国外研发高储能密度电容器主要是采用有机/无机材料复合的方法，其技术的发展趋势是耐高温、低损耗和高储能密度，但传统研究路径主要通过往聚合物添加高介电无机填料如纳米钛酸钡实现。但是这类复合材料在获得高介电常数的同时会削弱复合材料的击穿强度，导致复合材料的击穿强度低于纯聚合物的击穿强度。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提供一种兼具较高的介电常数、击穿强度及较好的储能密度的聚合物基复合材料。本专利技术的目的还在于提供上述复合材料的制备方法与应用方法。
[0004]本专利技术首先公开了如下的技术方案：
[0005]高介电常数及储能密度的复合材料，其包括以下原料组分：粒径为20
‑
200纳米的聚多巴胺包覆的纳米钛酸钡、层厚为2
‑
15层的片状纳米氮化硼和数均分子量为10000
‑
100000g/mol的聚芳醚腈。
[0006]根据本专利技术的一些优选实施方式，所述原料组分具有以下质量配比：0
‑
40wt％的所述聚多巴胺包覆的纳米钛酸钡，0
‑
16wt％的所述片状纳米氮化硼，及余量的所述聚芳醚腈。
[0007]其中，所述余量即为由100wt％减去所述聚多巴胺包覆的纳米钛酸钡及所述片状纳米氮化硼的质量百分比后的质量含量。
[0008]根据本专利技术的一些优选实施方式，所述原料组分中包括30wt％的所述聚多巴胺包覆的纳米钛酸钡，和/或所述原料组分中包括12wt％的所述片状纳米氮化硼。
[0009]根据本专利技术的一些优选实施方式，所述原料组分具有以下质量配比中的任一种：20wt％的所述聚多巴胺包覆的纳米钛酸钡、12wt％的所述片状纳米氮化硼及余量的聚芳醚腈；20wt％的所述聚多巴胺包覆的纳米钛酸钡、16wt％BNNS的所述片状纳米氮化硼及余量的聚芳醚腈；30wt％的的所述聚多巴胺包覆的纳米钛酸钡、40wt％的所述片状纳米氮化硼及余量的聚芳醚腈。
[0010]本专利技术进一步公开了如下的技术方案：
[0011]高介电常数及储能密度的复合材料的制备方法，其包括：
[0012](1)通过纳米钛酸钡与盐酸多巴胺获得聚多巴胺包覆的纳米钛酸钡；
[0013](2)通过六方氮化硼晶体获得片状纳米氮化硼；
[0014](3)将所述聚多巴胺包覆的纳米钛酸钡及片状纳米氮化硼加入聚芳醚腈的溶液中，混合后成型，即得到所述复合材料。
[0015]根据本专利技术的一些优选实施方式，所述聚芳醚腈的溶液的溶剂选自N
‑
甲基吡咯烷酮和/或N,N
‑
二甲基甲酰胺。
[0016]根据本专利技术的一些优选实施方式，其中步骤(1)包括：
[0017]将所述纳米钛酸钡通过超声处理分散于水中，得到悬浊液；
[0018]将所述盐酸多巴胺溶解于水中，得到盐酸多巴胺水溶液；
[0019]将所述盐酸多巴胺水溶液加入所述悬浊液中，于80
‑
100℃恒温反应12
‑
48h，其后分离得到反应沉淀，即所述聚多巴胺包覆的纳米钛酸钡；
[0020]其中，
[0021]根据本专利技术的一些优选实施方式，所述纳米钛酸钡与所述盐酸多巴胺的质量比为5
‑
15:1。
[0022]根据本专利技术的一些优选实施方式，所述纳米钛酸钡与所述水的配比为：1/10
‑
1/50g/mL。
[0023]根据本专利技术的一些优选实施方式，所述盐酸多巴胺水溶液中，所述盐酸多巴胺与所述水的配比为：1/1000
‑
10/1000g/mL。
[0024]根据本专利技术的一些优选实施方式，步骤(2)包括：在异丙醇溶剂中分散所述六方氮化硼晶体，将分散体在功率为1000
‑
2000W的强超声波下间歇超声150
‑
250分钟，其后分离、清洗下层沉淀，即得到所述片状纳米氮化硼。
[0025]其中，根据本专利技术的一些优选实施方式，所述六方氮化硼晶体与所述异丙醇的配比为：1/1000
‑
10/1000g/mL。
[0026]根据本专利技术的一些优选实施方式，步骤(3)包括：将所述聚芳醚腈加入N
‑
甲基吡咯烷酮溶剂中，搅拌获得所述聚芳醚腈的溶液；将所述聚多巴胺包覆的纳米钛酸钡、所述片状纳米氮化硼经超声处理分散于N
‑
甲基吡咯烷酮溶剂中，其后加入所述聚芳醚腈的溶液中，搅拌得到混合悬浊液；将所述混合悬浊液成型。
[0027]根据本专利技术的一些优选实施方式，所述聚多巴胺包覆的纳米钛酸钡的质量为聚多巴胺包覆的纳米钛酸钡、片状纳米氮化硼和聚芳醚腈总质量的30wt％，片状纳米氮化硼的质量为聚多巴胺包覆的纳米钛酸钡、片状纳米氮化硼和聚芳醚腈总质量的12wt％。
[0028]根据本专利技术的一些优选实施方式，所述成型过程包括：将混合得到的混合悬浊液浇铸至水平玻璃板上流延成膜，并以80℃1h、120℃1h、140℃1h、160℃1h、至200℃2h的温度条件依次升温，使其形成附着在玻璃上的复合材料薄膜。
[0029]本专利技术进一步提供了上述复合材料和/或根据上述制备方法制备得到的复合材料在高储能密度电容器中的应用。
[0030]本专利技术所得复合材料添加聚多巴胺(PDA)改性钛酸钡纳米粒子作为高介电常数填料同时添加氮化硼纳米片(BNNS)为高介电强度填料，该复合材料不但具有高的介电常数还具有高的击穿电压。因此，该三组分复合材料具有很高的储能密度。
[0031]本专利技术的制备方法采用聚多巴胺(PDA)对钛酸钡纳米粒子(BT)进行有机官能化改性，获得表面携带有机官能团的BT纳米颗粒(PDA@BT)，使得BT纳米颗粒与聚合物基体具有更好的界面结合力。在一些优选实施方式中，本专利技术的制备方法采用成本相对低的强力超声剥离工艺,在超声仪中强超声剥离六方氮化硼h
‑
BN，获得氮化硼纳米片BNNS，相对于单层厚度的纳米片在剥离过程中容易出现点和线缺陷，导致击穿强度比较低，而太厚的BN纳米
片会因为容易在聚合物中沉降到底部而起不到明显提高聚合物基复合材料击穿强度的作用，本专利技术的制备方法通过过滤离心相结合的方法收集厚度约为几层的BNNS作为填料，可显著提高聚合物的击穿强度。
[0032]相对于现有技术中直接添加高介电无机填料如纳米钛酸钡往往会造成的复合材料击穿强度的牺牲、聚合物的其他性能降低的缺陷，本专利技术的复合材料及制备方法中，氮化硼纳米片虽然介电常数比较小但是能有效地改善聚合的基础上再添加适量的BNNS制备的三组分复合材料可以兼具较高的介电常数、高击穿强度及较好的导热性能以及高本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.高介电常数及储能密度的复合材料，其特征在于：所述复合材料包括以下原料组分：粒径为20
‑
200纳米的聚多巴胺包覆的纳米钛酸钡、层厚为2
‑
15层的片状纳米氮化硼和数均分子量为10000
‑
100000g/mol的聚芳醚腈。2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于：所述原料组分具有以下质量配比：0
‑
40wt％的所述聚多巴胺包覆的纳米钛酸钡，0
‑
16wt％的所述片状纳米氮化硼，及余量的所述聚芳醚腈。3.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于：所述原料组分中包括30wt％的所述聚多巴胺包覆的纳米钛酸钡，和/或所述原料组分中包括12wt％的所述片状纳米氮化硼。4.高介电常数及储能密度的复合材料的制备方法，其特征在于：包括：(1)通过纳米钛酸钡与盐酸多巴胺获得聚多巴胺包覆的纳米钛酸钡；(2)通过六方氮化硼晶体获得片状纳米氮化硼；(3)将所述聚多巴胺包覆的纳米钛酸钡及片状纳米氮化硼加入聚芳醚腈的溶液中，混合后成型，即得到所述复合材料。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)包括：将所述纳米钛酸钡通过超声处理分散于水中，得到悬浊液；将所述盐酸多巴胺溶解于水中，得到盐酸多巴胺水溶液；将所述盐酸多巴胺水溶液加入所述悬浊液中，于80
‑
100℃恒温反应12
‑
48h，其后分离得到反应沉淀，即所述聚多巴胺包覆的纳米钛酸钡；其中，所述纳米钛酸钡与所述盐酸多巴胺的质量比为5
‑
15:1，和/或所述悬浊液中，所述纳米钛酸钡与所述水的配比为：1/10
‑
1/50g/mL，和/或所述盐酸多巴胺水溶...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒲琳钰，黄旭，刘敬松，曾晶晶，李昱，
申请(专利权)人：西南科技大学，
类型：发明
国别省市：