一种协同提升聚合物电介质击穿强度和介电常数的方法技术

本发明专利技术提供了一种协同提升聚合物电介质击穿强度和介电常数的方法，将聚合物材料表面溅射上纳米金颗粒，利用流延法和热压法制备金属/聚合物介电复合材料，通过纳米金颗粒与聚合物之间形成的微电容来提升介电常数、纳米金颗粒引起的库伦阻塞效应来增强击穿强度，实现介电常数和击穿强度的协同提升。该方法制备的溅射少量纳米金颗粒的复合材料的介电常数最高可达11.5，击穿强度最高可达到622.87kV/mm，最高储能密度可达13.02J/cm3。该方法简单，易操作，容易实现批量化生产，且具有通用性，可用于改善其他聚合物薄膜的介电性能。于改善其他聚合物薄膜的介电性能。于改善其他聚合物薄膜的介电性能。

【技术实现步骤摘要】
一种协同提升聚合物电介质击穿强度和介电常数的方法


[0001]本专利技术涉及聚合物
，具体涉及一种协同提升聚合物电介质击穿强度和介电常数的方法。

技术介绍

[0002]目前，限制薄膜电容器应用的一大难题是储能密度太低。因此，为提高聚合物复合材料的储能密度，研究者提出了各种复合材料设计策略。
[0003]研究表明，通过在聚合物中引入纳米颗粒，利用纳米颗粒的特性可以获得击穿强度和介电常数的提升，以达到更高的储能密度。例如，上海交通大学黄兴溢等报道了一种类似草莓状的功能性填料，首先通过用聚多巴胺包覆BT纳米颗粒合成核壳结构，然后通过原位还原硝酸银在表面上“点缀”纳米颗粒，形成的草莓状Ag修饰BT
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PDA(BT
‑
PDA
‑
Ag)杂化纳米粒子被用作填料制备出(BT
‑
PDA
‑
Ag)/P(VDF
‑
HFP)纳米复合材料。结果显示，和BT/P(VDF
‑
HFP)、(BT
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PDA)/P(VDF
‑
HFP)这两种材料相比，(BT
‑
PDA
‑
Ag)/P(VDF
‑
HFP)纳米复合材料的介电性能得到了明显提升，这些结果表明了纳米Ag颗粒的库伦阻塞效应可以改善纳米复合材料的介电性能。同时，北京科技大学查俊伟等也报道了一种类似的草莓状功能填料。首先通过化学沉积法在BT表面“点缀”平均直径为5
‑r/>10nm的Ag纳米颗粒，然后通过溶液法制备填充有BT@Ag杂化颗粒的PVDF基纳米复合材料。研究结果显示，与BT/PVDF材料相比，BT@Ag/PVDF复合材料的介电性能得到明显提高。
[0004]虽然通过引入纳米颗粒作为功能填料可以使复合材料的介电性能得到提升，但目前报道的复合材料的储能提升并不是很高，而且工艺复杂，极大地限制了其实际应用。也就是说，如何有效地实现击穿强度和介电常数的协同提升仍是介电储能材料领域亟待解决的难题。
[0005]为了实现储能密度的提升，目前报道的介电储能材料普遍采用纳米材料作为填料，引入到聚合物基质中。该设计虽然能实现储能密度的提升，但是不能协同提升纳米复合材料的击穿强度和介电常数，储能提升不明显。而且该设计是一种耗时且产量低的技术。

技术实现思路

[0006]为了解决上述问题，协同提升聚合物电介质的击穿强度和介电常数，本专利技术将聚合物材料表面溅射上纳米金颗粒，利用流延法和热压法制备金属/聚合物介电复合材料。具体技术方案如下：
[0007]一种协同提升聚合物电介质击穿强度和介电常数的方法，其特征在于，将聚合物材料表面溅射上纳米金颗粒，利用流延法和热压法制备金属/聚合物介电复合材料，通过纳米金颗粒与聚合物之间形成的微电容来提升介电常数、纳米金颗粒引起的库伦阻塞效应来增强击穿强度，实现介电常数和击穿强度的协同提升。
[0008]优选的，所述聚合物是聚偏二氟乙烯
‑
六氟丙烯(即P(VDF
‑
HFP))、聚甲基丙烯酸甲酯(即PMMA)、聚丙烯(即PP)中的任一种。
[0009]优选的，所述聚合物是P(VDF
‑
HFP)。
[0010]优选的，所述P(VDF
‑
HFP)的金属/聚合物介电复合材料的制备方法包括以下步骤：
[0011]a.溶液的配置：将一定量的P(VDF
‑
HFP)颗粒加入到1
‑
甲基
‑2‑
吡咯烷酮中，用75℃的磁力搅拌器缓慢搅拌，待P(VDF
‑
HFP)颗粒完全溶解后，快速搅拌5h，再在室温下缓慢搅拌一夜，得纯P(VDF
‑
HFP)溶液；
[0012]b.流延法制备单层薄膜：将耐高温的玻璃板用酒精、去离子水清洗干净烘干备用；刮刀高度设置为8μm，取适量步骤a中搅拌好的溶液置于玻璃板流延成型，随后置于鼓风式干燥箱内保温，随后将载有步骤a中溶液的玻璃板迅速置于冰水中淬冷1min左右将薄膜揭下平铺于铝箔纸上再次放入烘箱中烘干，温度设置为50℃，保温4h，得到纯P(VDF
‑
HFP)薄膜；
[0013]c.溅射纳米金颗粒：裁剪一定大小的纯P(VDF
‑
HFP)薄膜，将多孔泡沫镍固定到纯P(VDF
‑
HFP)薄膜上，利用离子溅射仪通过多孔泡沫镍将金颗粒溅射到纯P(VDF
‑
HFP)薄膜上，溅射时间为0～10min，得到表面含有纳米金颗粒的P(VDF
‑
HFP)薄膜；
[0014]d.堆叠：裁剪相同大小的纯P(VDF
‑
HFP)薄膜并与表面带有纳米金颗粒的P(VDF
‑
HFP)薄膜堆叠在一起；
[0015]e.热压：在一定条件下，利用热压仪将纯P(VDF
‑
HFP)聚合物薄膜和表面带有纳米金颗粒的P(VDF
‑
HFP)薄膜热压在一起，得到P(VDF
‑
HFP)
‑
Au
‑
P(VDF
‑
HFP)复合材料。
[0016]优选的，所述步骤a中，P(VDF
‑
HFP)颗粒的质量与1
‑
甲基
‑2‑
吡咯烷酮溶液的体积比为2:10/g：ml。
[0017]优选的，所述步骤b中，保温分为两阶段，先是以1℃/min的升温速率从室温升至100
°
C，保温4h，再以2℃/min的升温速度从100℃升至200℃，保温5min。
[0018]优选的，所述步骤c中，多孔泡沫镍使用前需要经过预处理，处理方法为：分别用丙酮、去离子水和无水乙醇超声处理多孔泡沫镍20min，去除多孔泡沫镍中的杂质，再用加压仪器将多孔泡沫镍压薄至300微米。
[0019]优选的，所述步骤c中，利用离子溅射仪通过多孔泡沫镍将金颗粒溅射到纯P(VDF
‑
HFP)薄膜上的时间为6min。
[0020]优选的，所述步骤e中，热压的温度为150℃，压力为7.8MPa，保温时间为26min。
[0021]优选的，溅射6min纳米金颗粒得到的P(VDF
‑
HFP)
‑
Au
‑
P(VDF
‑
HFP)复合材料的介电常数最高为11.5，击穿强度最高为622.87kV/mm，最高储能密度为13.02J/cm3。
[0022]与现有技术相比，本专利技术的优点和有益效果为：
[0023]1)由于纳米金颗粒与聚合物之间形成了很多微电容，介电常数得到了明显提升，由纳米金颗粒引起的库伦阻塞效应，实现了击穿强度的显著增强，最终实现了介电常数和击穿强度的协同提升；
[0024]2)本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种协同提升聚合物电介质击穿强度和介电常数的方法，其特征在于，将聚合物材料表面溅射上纳米金颗粒，利用流延法和热压法制备金属/聚合物介电复合材料，通过纳米金颗粒与聚合物之间形成的微电容来提升介电常数、纳米金颗粒引起的库伦阻塞效应来增强击穿强度，实现介电常数和击穿强度的协同提升。2.根据权利要求1所述的一种协同提升聚合物电介质击穿强度和介电常数的方法，其特征在于，所述聚合物是聚偏二氟乙烯
‑
六氟丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯中的任一种。3.根据权利要求2所述的一种协同提升聚合物电介质击穿强度和介电常数的方法，其特征在于，所述聚合物是聚偏二氟乙烯
‑
六氟丙烯。4.根据权利要求3所述的一种协同提升聚合物电介质击穿强度和介电常数的方法，其特征在于，所述聚偏二氟乙烯
‑
六氟丙烯的金属/聚合物介电复合材料的制备方法包括以下步骤：a.溶液的配置：将一定量的聚偏二氟乙烯
‑
六氟丙烯颗粒加入到1
‑
甲基
‑2‑
吡咯烷酮中，用75℃的磁力搅拌器缓慢搅拌，待聚偏二氟乙烯
‑
六氟丙烯颗粒完全溶解后，快速搅拌5h，再在室温下缓慢搅拌一夜，得纯聚偏二氟乙烯
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六氟丙烯溶液；b.流延法制备单层薄膜：将耐高温的玻璃板用酒精、去离子水清洗干净烘干备用；刮刀高度设置为8μm，取适量步骤a中搅拌好的溶液置于玻璃板流延成型，随后置于鼓风式干燥箱内保温，随后将载有步骤a中溶液的玻璃板迅速置于冰水中淬冷1min左右将薄膜揭下平铺于铝箔纸上再次放入烘箱中烘干，温度设置为50℃，保温4h，得到纯聚偏二氟乙烯
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六氟丙烯薄膜；c.溅射纳米金颗粒：裁剪一定大小的纯聚偏二氟乙烯
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六氟丙烯薄膜，将多孔泡沫镍固定到纯聚偏二氟乙烯
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六氟丙烯薄膜上，利用离子溅射仪通过多孔泡沫镍将金颗粒溅射到纯聚偏二氟乙烯
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六氟丙烯薄膜上，溅射时间为0～10min，得到表面含有纳米金颗粒的聚偏二氟乙烯
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六氟丙烯薄膜；d.堆叠：裁剪相同大小的纯聚偏二氟乙烯

【专利技术属性】
技术研发人员：史志成，夏水苗，杜厚猛，李鑫帅，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：