一种碳量子点/聚合物介电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碳量子点/聚合物介电复合材料及其制备方法和应用，所述介电复合材料为由聚合物基体以及均匀分散于聚合物基体中的碳量子点组成，所述碳量子点在介电复合材料中的质量分数为0.01～10.0wt％，所述聚合物基体中的聚合物选自PP、PMP、PS、ABS、PE、PET、PMMA、PEI、PI、PVDF、P(VDF

【技术实现步骤摘要】
一种碳量子点/聚合物介电复合材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于聚合物基介电复合材料制备
，具体涉及一种碳量子点/聚合物介电复合材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]电介质电容器由于具有功率密度高(～108W/kg)、充放电速度快(＜1μs)和循环使用寿命长(～5万次)等特点，在脉冲功率应用方面具有广阔的前景，如国防军事领域的电磁炮、激光枪和电磁弹射动力装置等，同时在民用领域也具有重要的应用价值，如输变电工程(高压直流输电系统换流阀)、新能源汽车(逆变器)和5G通讯(基站电源)等。目前，高端应用领域涉及的电容器及电容器用介质材料绝大部分依赖于进口，是亟需突破的“卡脖子”技术之一。双轴拉伸聚丙烯(BOPP)是当前主流的一类商用电容器介质材料，但是BOPP介电常数低、极化能力较弱，在强电场下，如600kV/mm，能量密度低于2J/cm3，意味着要满足高能量的应用需求，则需要增大电容器的体积和使用数量。为了应对当前器件小型化和轻量化的应用趋势与发展机遇，工业界对电容器用电介质材料提出了新的需求和挑战。
[0003]根据电容器中电介质材料放电能量密度(U
e
)的计算公式U
e
＝∫EdD＝∫ε0ε
r
EdE，其中ε0、ε
r
和E分别为真空介电常数(8.85
×
10
‑
12
F/m)、材料的介电常数和外加电场，可见材料的介电常数和抗击穿电场值是决定其储能密度大小的关键参数。r/>[0004]聚合物基介电复合材料由于能够兼具基体相和填充相各自的优点，比如填充相的高介电常数和聚合物基体的高抗击穿电场、低损耗和柔性等特点，被认为是目前最有潜力的介电材料之一。源于内部增强的界面极化和填充物自身的高介电常数，复合材料的介电常数得到显著提高，但是大多数填充相与基体表面性质存在巨大差异，高含量的填料会不可避免地在复合物中引入大量孔洞和裂纹等缺陷，带来难以解决的分散性和相容性问题。因此，提高介电常数往往是以牺牲材料的抗击穿电场值为代价，同样限制了复合物储能密度的提高。并且高含量的填料会产生内部缺陷，不仅导致损耗增加，储能效率降低，无法满足该类材料大规模加工制造及商业应用的要求。研究者们针对填料组分调控、微观结构设计和界面修饰等方面开展了大量工作，有效改善了因复合填料而带来的一系列问题，但是，如何彻底打破电介质材料的介电常数和介电强度的倒置关系、保证其工程应用价值依然是目前的最大挑战。浙江大学张启龙等在P(VDF
‑
HFP)中添加了核壳结构的BaTiO3@PANI纳米颗粒，填料含量为20vol％时，复合材料在1kHz频率下的介电常数是纯P(VDF
‑
HFP)的9.6倍。然而大量陶瓷填料的引入虽然可以提高复合材料的介电常数，但是介电损耗也会相应的增加，这会导致实际应用中耗散产生的热能增加，易引发热失效。同时，高含量的填料会在实际工业生产带来像阻塞过滤器导致生产中断等一系列问题。
[0005]清华大学党智敏等用EPDM包覆BaTiO3纳米颗粒后制备了EPDM@BaTiO3/PP复合材料，拉伸后的复合材料抗击穿强度与介电常数都明显提升，储能密度达到3.06J/cm3，是纯PP的2.2倍以上。但是陶瓷颗粒与聚合物基体的形容性很差，即使通过了表面包覆，在基体中仍然会引入大量缺陷，这些缺陷会极大影响基体的机械性能。
[0006]同济大学翟继卫等制备了Al2O3包覆的BaTiO3纳米纤维加入到PVDF中，填料含量为5vol％时，复合材料的放电能量密度达到了12.18J/cm3，远远高于PVDF的4.8J/cm3。不过低含量的核壳结构纳米线虽然在介电材料性能提升方面得到了广泛的应用，但是核壳结构纳米线工艺复杂、难以大规模生产。

技术实现思路

[0007]针对现有技术的不足，本专利技术的第一个目的在于提供一种同时具有高的介电常数以及优异抗击穿强度的碳量子点/聚合物介电复合材料。
[0008]本专利技术的第二个目在于提供一种碳量子点/聚合物介电复合材料的制备方法。
[0009]本专利技术的第三个目在于提供一种碳量子点/聚合物介电复合材料的应用，将所述碳量子点/聚合物介电复合材料用于电介质电容器，可大幅提升电介质电容器的储能密度和效率。
[0010]为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0011]本专利技术一种碳量子点/聚合物介电复合材料，所述介电复合材料为由聚合物基体以及均匀分散于聚合物基体中的碳量子点组成，所述碳量子点在介电复合材料中的质量分数为0.01～10.0wt％，所述聚合物基体中的聚合物选自PP、PMP、PS、ABS、PE、PET、PMMA、PEI、PI、PVDF、P(VDF
‑
HFP)、P(VDF
‑
CTFE)、P(VDF
‑
TrFE
‑
CTFE)中的至少一种。
[0012]专利技术人通过大量的实验，发现将碳量子点分散于上述聚合物基体中所得复合材料，复合材料抗击穿强度与介电常数明显提升，同时复合材料具有优异的机械性能。
[0013]优选的方案，所述聚合物基体中的聚合物选自PP、PEI、PMMA，PVDF，PVDF
‑
HFP，P(VDF
‑
TrFE
‑
CTFE)中的至少一种。
[0014]进一步的优选，所述聚合物基体中的聚合物选自PP、PEI中的一种。
[0015]优选的方案，所述碳量子点在介电复合材料中的质量分数为0.02～2.0wt％，优选为0.02～1.0wt％，进一步优选0.5wt％。
[0016]优选的方案，所述碳量子点的直径为1.0
‑
20.0nm，优选为1.0
‑
6.0nm。
[0017]专利技术人发现，将碳量子点的直径控制在上述范围内，最终所得复合材料的性能最优，而若碳量子点直径过大，会导致界面面积减小，界面极化减弱，从而影响性能。
[0018]优选的方案，所述碳量子点/聚合物介电复合材料为介电薄膜，所述介电薄膜的厚度为2
‑
20μm，优选为4
‑
16μm。
[0019]专利技术人发现，将介电薄膜的厚度控制为4
‑
16μm可以确保电极边缘的电场均匀，保证材料性能最优。
[0020]本专利技术一种碳量子点/聚合物介电复合材料的制备方法，包括如下步骤：将碳量子点通过超声分散于有机溶剂A中，然后加入聚合物颗粒搅拌获得混合液，将混合液浇铸在玻璃板上，干燥，剥离玻璃板，所得薄膜即为碳量子点/聚合物介电复合材料，所述聚合物颗粒中的聚合物选自PS、ABS、PMMA、PEI、PVDF、P(VDF
‑
HFP)、P(VDF
‑
CTFE)、P(VDF
‑
TrFE
‑
CTFE)中的至少一种。
[0021]优选本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳量子点/聚合物介电复合材料，其特征在于：所述介电复合材料为由聚合物基体以及均匀分散于聚合物基体中的碳量子点组成，所述碳量子点在介电复合材料中的质量分数为0.01～10.0wt％，所述聚合物基体中的聚合物选自PP、PMP、PS、ABS、PE、PET、PMMA、PEI、PI、PVDF、P(VDF
‑
HFP)、P(VDF
‑
CTFE)、P(VDF
‑
TrFE
‑
CTFE)中的至少一种。2.根据权利要求1所述的一种碳量子点/聚合物介电复合材料，其特征在于：所述碳量子点在介电复合材料中的质量分数为0.02～2.0wt％。3.根据权利要求1所述的一种碳量子点/聚合物介电复合材料，其特征在于：所述碳量子点的直径为1.0
‑
20.0nm。4.根据权利要求1所述的一种碳量子点/聚合物介电复合材料，其特征在于：所述碳量子点/聚合物介电复合材料为介电薄膜，所述介电薄膜的厚度为2
‑
20μm。5.根据权利要求1
‑
4任意一项所述的一种碳量子点/聚合物介电复合材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤，将碳量子点通过超声分散于有机溶剂A中，然后加入聚合物颗粒搅拌获得混合液，将混合液浇铸在玻璃板上，干燥，剥离玻璃板，所得薄膜即为碳量子点/聚合物介电复合材料，所述聚合物颗粒中的聚合物选自PS、ABS、PMMA、PEI、PVDF、P(VDF
‑
HFP)、P(VDF
‑
CTFE)、P(VDF
‑
TrFE<...

【专利技术属性】
技术研发人员：张斗，谢浩然，罗行，侯红帅，纪效波，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：