超高介电常数的钛酸钡复合材料及其柔性电容器制备方法技术

本发明专利技术的超高介电常数的钛酸钡复合材料及其柔性电容器制备方法，属于介电材料制备技术领域，制备的钛酸钡复合材料可同时应用于大容量固态电容和柔性电容。当钛酸钡复合材料作为大容量固态电容时，该材料相对介电常数可以>106，通过原位生长法将KDP、BaTiO3和PVDF复合，使BaTiO3、PVDF和KDP之间形成面接触，产生大量界面，产生界面电荷，以提高材料介电常数，有效填补BaTiO3/PVDF柔性体系下超高介电常数研究空白。将钛酸钡复合材料作为填充物与大量PVDF结合，可制成性能优异的柔性电容。且复合材料加入量低至0.1

【技术实现步骤摘要】
超高介电常数的钛酸钡复合材料及其柔性电容器制备方法

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[0001]本专利技术属于介电材料制备
，具体涉及超高介电常数的钛酸钡复合材料及其柔性电容器制备方法。

技术介绍
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[0002]在当前的电容器应用领域，通常由无机材料制备的固态电容器，具有良好的介电常数，大约在3个量级。随着应用场景的广泛，为了使电容器具备一定的柔性，工业上会选用有机高分子材料作为填充物与无机材料进行复合。高分子材料在经过膜成型工艺处理后能够紧密包覆在无机材料表面，从而大幅度降低气孔率，以此达到提高电容器柔韧性和降低介电损耗的目的。但正是由于高分子材料的大量填充，导致电容器的介电常数大幅度降低，从性能上限制了材料的广泛应用。
[0003]目前针对超高介电常数的材料以及在柔性电容器的应用上始终存在技术上限。固态电容在介电常数量级上的突破可谓极少。国内曾有报道提出过超高介电常数大于105的案例，其中最为典型的是专利CN 109003821B提出的一种以PN结为主导的无机复合材料，以及专利CN 110164694B提出的有机大分子/无机铁电复合材料。但由于两者均不使用高分子聚合物进行复合，因此不能够应用在柔性电容领域，所以该领域仍有较大的研究空白。
[0004]钛酸钡(BaTiO3)/聚偏氟乙烯(PVDF)是一种兼顾高介电常数和柔性的复合体系，但国内报道仍然难以找到4个量级以上的制备方法。通常为了保持较高的介电常数，大多研究会提高无机铁电材料的质量占比。专利CN 106497064A公开的一种无机/有机柔性材料的制备工艺、专利CN 108864621A发表的陶瓷/聚合物复合材料，以及专利CN 110752093A所述高介电常数的柔性薄膜电容，选用的无机材料占50％左右，最大的介电常数约2个量级。虽然这种材料保持了一定的介电常数，但较少的PVDF阻碍了电容的柔性。
[0005]为了维持高介电常数的同时还能提高柔性，近年来的研究从用料和制备工艺入手，对体系进行改进。多篇现有技术制备钛酸钡/聚偏氟乙烯复合介电薄膜、聚偏氟乙烯/钛酸钡复合膜和聚偏氟乙烯/改性钛酸钡复合薄膜，均使用了更多的PVDF，提高了材料的柔性。但使用的无机材料依然较多，不利于增加柔性和节约成本。这也是为了保持薄膜的介电性能。如果将无机材料用量降低到10％以下，介电常数会降低到个位数。
[0006]现有技术报道包括有一种柔性无机聚合物复合薄膜，采用涂布法，将硅烷偶联剂改性的BaTiO3分散在一种三元系共聚物中。这种方法用共聚物代替PVDF，进一步提高了柔性，但是工艺较为复杂，且使用的原料较为昂贵，收益相对较低。

技术实现思路
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[0007]本专利技术的目的是克服上述现有技术存在的不足，本专利技术提供了超高介电常数的钛酸钡复合材料及其柔性电容器制备方法，钛酸钡复合材料具体为钛酸钡(BaTiO3)/磷酸二氢钾(KDP)/聚偏氟乙烯(PVDF)复合材料。在电容器的研究中，无机材料是高介电常数的主要来源，国内大多数无机材料制备的固态电容器，将具有超过1个量级相对介电常数的材料
称为高介电材料，但很少有研究能突破4个量级，这与材料本身的极化机制有直接关系。但随着电容器对柔性的需求，工业上会选用有机高分子材料作为填充物与无机材料进行复合。但高分子材料的大量填充会导致介电常数大幅度下降，从性能上限制了材料的广泛应用。因此，无论是固态电容器还是薄膜电容器，都难以将介电常数的量级进行较大的突破。而对于经典的BaTiO3/PVDF柔性体系，更是缺少有突破性的进展。本专利技术通过原位生长，将具有铁电性的KDP与具有铁电性的BaTiO3/PVDF复合，使BaTiO3/PVDF与KDP之间形成面接触，产生大量界面，界面效应提高了材料介电常数，从而在量级上实现更大突破，以进一步在柔性电容器中加以应用。
[0008]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0009]超高介电常数的钛酸钡复合材料制备方法，包括如下步骤：
[0010](1)将PVDF粉体加入到含有分散剂的纳米BaTiO3中，混合得到均匀的BaTiO3/PVDF混合浆料；所述的BaTiO3/PVDF混合浆料中各组分质量百分含量为BaTiO
3 1
‑
20％、PVDF1
‑
30％和分散剂50
‑
98％；
[0011](2)KDP粉体加水溶解后加入BaTiO3/PVDF混合浆料中，获得混合体系，烘干后获得干燥的BaTiO3/KDP/PVDF复合粉体；所述的混合体系中包括组分及质量百分含量为BaTiO3/PVDF混合浆料85
‑
99％，KDP粉体1
‑
15％；
[0012](3)BaTiO3/KDP/PVDF复合块体经研磨、过筛与成型工艺，并结合电极材料，制得BaTiO3/KDP/PVDF复合材料，即超高介电常数的钛酸钡复合材料。
[0013]所述的步骤(1)中，纳米BaTiO3晶粒尺寸为5
‑
50nm，按需经过热处理，以控制材料尺寸。
[0014]所述的步骤(1)中，分散剂为水、乙醇、异丙醇、苯、甲苯、丙酮或甲乙酮中的一种或几种混合。
[0015]所述的步骤(1)中，混合方式为搅拌+超声震荡。
[0016]所述的步骤(2)中，优选的，混合体系中各组分质量百分含量为BaTiO3/PVDF混合浆料88
‑
93％，KDP粉体7
‑
12％。
[0017]所述的步骤(2)中，KDP在水中溶解后，加入BaTiO3/PVDF混合浆料中，经烘干使水与分散剂充分挥发，烘干过程中，KDP通过原位生长附着在BaTiO3/PVDF的颗粒上，促进界面形成，通过面接触储存大量界面电荷，从而形成空间电荷极化，以促使超高介电常数的获得。
[0018]所述的步骤(2)中，烘干温度为60
‑
120℃，烘干时间为12
‑
24h。
[0019]所述的步骤(3)中，成型工艺包括干压、铸浆成型等，干压成型的压力为1
‑
10MPa。
[0020]所述的步骤(3)中，电极材料为导电银浆、导电银漆、铝箔、金箔、银箔、铜箔、锡箔或金粉中的一种，电极材料的结合方式为干压法、喷涂法、真空镀膜法或磁控溅射法中的一种；
[0021]所述的步骤(3)中，经检测，BaTiO3/KDP/PVDF复合材料中，KDP与BaTiO3结合，形成大量界面，通过面接触储存大量界面电荷，形成空间电荷极化。
[0022]所述的步骤(3)中，BaTiO3/KDP/PVDF复合材料在20Hz工作频率下的相对介电常数为(0.1～2)
×
106。
[0023]所述的步骤(3)中，优选的，BaTiO3/KDP/PVDF复合材料在20Hz工作频率下的相对
介电常数为(1.20
‑
1.44)
×
106。
[0024]超高介电常数的柔性电容器制备方本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.超高介电常数的钛酸钡复合材料制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将PVDF粉体加入到含有分散剂的纳米BaTiO3中，混合得到均匀的BaTiO3/PVDF混合浆料；所述的BaTiO3/PVDF混合浆料中各组分质量百分含量为BaTiO
3 1
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20％、PVDF1
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30％和分散剂50
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98％；(2)KDP粉体加水溶解后加入BaTiO3/PVDF混合浆料中，获得混合体系，烘干后获得干燥的BaTiO3/KDP/PVDF复合粉体；所述的混合体系中包括组分及质量百分含量为BaTiO3/PVDF混合浆料85
‑
99％，KDP粉体1
‑
15％；(3)BaTiO3/KDP/PVDF复合块体经研磨、过筛与成型工艺，并结合电极材料，制得BaTiO3/KDP/PVDF复合材料，即超高介电常数的钛酸钡复合材料。2.根据权利要求1所述的超高介电常数的钛酸钡复合材料制备方法，其特征在于，所述的步骤(1)中，纳米BaTiO3晶粒尺寸为5
‑
50nm，分散剂为水、乙醇、异丙醇、苯、甲苯、丙酮或甲乙酮中的一种或几种混合。3.根据权利要求1所述的超高介电常数的钛酸钡复合材料制备方法，其特征在于，所述的步骤(3)中，BaTiO3/KDP/PVDF复合材料在20Hz工作频率下的相对介电常数为(0.1～2)
×
106。4.超高介电常数的柔性电容器制备方法，其特征在于，以权利要求1所述的超高介电常数的...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏瑶，于天池，齐建全，赵颖洁，刘一麟，朱航，陈子坤，李歆，王佳贤，王恒昌，孙佑辰，刘鹤，朱翰泽，韩秀梅，翟燕，
申请(专利权)人：东北大学秦皇岛分校，
类型：发明
国别省市：