一种多层级纳米结构复合电介质和柔性复合电介质材料及制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种多层级纳米结构复合电介质和柔性复合电介质材料及制备方法和应用。多层级纳米结构复合电介质由纳米TiO2包覆在纳米BaTiO3表面构成的多层级纳米结构TiO2@BaTiO3分散在铁电聚合物基体中形成；其制备方法是将纳米BaTiO3与钛酸酯酸性水溶液混合进行水热反应，得到多层级纳米结构TiO2@BaTiO3，将多层级纳米结构TiO2@BaTiO3与铁电聚合物通过液相混合，得到多层级纳米结构复合电介质。该多层级纳米结构复合电介质具有储能密度高、制冷功率密度高，能够替代传统的制冷介质(氟利昂等空气压缩介质)应用于高端柔性器件制冷，或者应用于介电储能器件。或者应用于介电储能器件。或者应用于介电储能器件。

【技术实现步骤摘要】
一种多层级纳米结构复合电介质和柔性复合电介质材料及制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及一种多层级纳米结构复合电介质及柔性复合电介质材料，还涉及其制备方法和作为介电材料或制冷材料的应用，属于介电储能和制冷材料


技术介绍

[0002]介电材料电容器相比于传统的电池等电化学系统具有更高的充放电速度，具有储能功率密度高、充放电速率快、抗衰退循环、适用于极端环境和性能稳定等特征，能够满足新时期能源的使用要求。然而，介电储能密度一直很难有显著提高，如文献(Composites Part B 178(2019)107459)公开了对介电电容器的介电性能提升，然而储能密度较低，究其原因，由于储能材料中高介电常数和高击穿强度难以同时兼顾，击穿强度高的有机材料其介电常数不高，介电常数高的无机材料其击穿强度不高。
[0003]此外，铁电纳米复合材料电介质报道的电卡效应，已作为新兴研究的相变机制实现固态制冷。寻求绿色、环保、低能耗的替代制冷方案已经成为学术界和工业界共同努力的方向，特别是当前我国高端制冷压缩机技术仍然欠缺，探索新的制冷技术方案则有望从根源上解决该
的卡脖子问题。铁电纳米复合材料电卡效应，通过综合高分子聚合物具备的高击穿强度和铁电陶瓷材料具备的高介电常数(高极化)等优点，文献(ACS Appl.Mater. Interfaces 2021,13,39,46681
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46693)公开了将具有高击穿强度的聚合物与高介电常数的铁电陶瓷复合，实现了制冷功率密度的大幅度提升，然而其制冷效率有待提升。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中存在的缺陷，本专利技术的第一个目的是在于提供一种多层级纳米结构复合电介质，其具有制冷功率密度和效率高，且同时具有介电常数和储能密度高等优点。
[0005]本专利技术的第二个目的是在于提供一种柔性复合电介质材料，其不但具有柔性，而且具有制冷功率密度和效率高，同时具有介电常数和储能密度高等优点，可大规模应用于柔性电容器或电子芯片制冷器件。
[0006]本专利技术的第三个目的是在于提供一种多层级纳米结构复合电介质的制备方法，该方法操作简单，成本低，有利于规模化生产。
[0007]本专利技术的第四个目的是在于提供一种柔性复合电介质材料的制备方法，该方法易于操作，原料成本低，有利于工业化生产。
[0008]本专利技术的第五个目的是在于一种多层级纳米结构复合电介质作为介电材料在介电电容器中的应用，其可以制成柔性复合电介质材料，且同时具有介电常数和储能密度高等优点，可以广泛应用于介电电容器实现储能。
[0009]本专利技术的第六个目的是在于提供一种多层级纳米结构复合电介质作为制冷材料在电子器件制冷方面的应用，其具有制冷功率密度高和制冷效率高等特点，能够替代传统
的氟利昂制冷材料应用于常规的生活制冷，且可用于电子芯片制冷，实现了电子芯片降温，避免由于过热或热集中引发的影响性能稳定性的难题。
[0010]为了实现上述技术方案，本专利技术提供了一种多层级纳米结构复合电介质，其由多层级纳米结构TiO2@BaTiO3分散在铁电聚合物基体中构成；所述多层级纳米结构TiO2@BaTiO3由纳米TiO2包覆在纳米BaTiO3表面构成。
[0011]本专利技术的多层级纳米结构TiO2@BaTiO3是由纳米TiO2包覆在纳米 BaTiO3表面构成，且纳米TiO2和纳米BaTiO3形成三维空间结构，具有各向异性，这种结构有利于提升界面极化，实现其介电储能性能和电卡制冷性能的大幅度提升。
[0012]本专利技术的多层级纳米结构复合电介质将具有高介电常数的多层级纳米结构TiO2@BaTiO3与具有高击穿强度的铁电聚合物材料复合，可以获得同时具有高介电常数和高击穿强度的复合电介质，能够用于介电储能器件的制备，同时有望实现显著改善的绝热温度变化、熵的等温变化和显著提升的冷却效率，可以用于电子器件制冷。
[0013]作为一个优选的方案，所述纳米TiO2包括纳米TiO2颗粒和/或TiO2纳米线阵列。
[0014]作为一个优选的方案，所述纳米BaTiO3包括纳米BaTiO3颗粒、纳米BaTiO3纤维、纳米BaTiO3立方体中至少一种。
[0015]作为一个优选的方案，所述多层级纳米结构TiO2@BaTiO3与铁电聚合物基体的质量百分比组成为5～20％:95～80％。如果铁电聚合物的比例过高，则复合电介质的介电性能降低，如果铁电聚合物的比例过低，则影响击穿场强性能，导致储能密度和制冷功率密度降低。
[0016]作为一个优选的方案，所述纳米TiO2和纳米BaTiO3的质量百分比组成为5～10％:95～90％。如果纳米TiO2的比例过低，无法形成有效的多层级三维空间结构，影响界面极化，继而影响储能密度；如果纳米TiO2的比例过高，容易出现击穿点，继而降低击穿场强，使介电储能密度降低。
[0017]作为一个最优选的方案，所述多层级纳米结构TiO2@BaTiO3由纳米TiO2颗粒和/或TiO2纳米线阵列包覆在纳米BaTiO3纤维表面构成；所述纳米 BaTiO3纤维的直径为100～200nm，长度为5～10μm，所述TiO2纳米颗粒的粒径为20～40nm。所述TiO2纳米线阵列有规律地垂直生长在纳米BaTiO3纤维表面。纳米TiO2颗粒生长在纳米BaTiO3纤维表面能够构筑三维空间结构，且纳米BaTiO3纤维相对纳米BaTiO3颗粒、纳米BaTiO3立方体具有更大的比表面积以及与纳米TiO2晶体之间形成不同取向更有利于提升界面极化，实现其介电储能性能和电卡制冷性能的大幅度提升。
[0018]本专利技术的纳米BaTiO3颗粒可以通过商业途径购买。
[0019]本专利技术的纳米BaTiO3立方体通过以下方法制备得到：采用原料钛酸四丁酯(Ti(OBu)4)、Ba(OH)2·
8H2O、三甘醇(TEG)、氨水和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，其中，Ti(OBu)4与Ba(OH)2·
8H2O的摩尔比为1:1，Ti(OBu)4、PVP、氨水(市售工业氨水)和TEG的质量比为1:0.1:1.2～1.5:5～10)制备前驱体溶液，之后放入反应釜中经过水热反应，调控反应的温度为180℃，反应72h，最终制备 BaTiO3纳米立方体。
[0020]本专利技术的纳米BaTiO3纤维通过以下方法制备得到：将聚乙烯吡咯烷酮(PVP)加入到乙醇中得到PVP/乙醇溶液，其中，PVP的浓度为0.8～1.0mol/mL；将乙酸钡溶解于去离子水中得到浓度为2.0～3.0mol/L乙酸钡溶液；将钛酸四丁酯搅拌加入到乙醇和冰醋酸(体积
比为3:1～5:1)混合溶液，得到浓度为 0.5～0.75mol/L的钛酸四丁酯溶液，按照摩尔比Ba:Ti＝1:1；将上述配置的溶液混合得到前驱体溶液(三种溶液体积比约为3:1:4)。将配好的溶液注入绝缘塑料注射器，调控推进速率，设置喷头与接收装置之间的间距(10～20cm)，调控电压大小(15～25kV)，收集的纳米纤维，进行后续的热本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多层级纳米结构复合电介质，其特征在于：由多层级纳米结构TiO2@BaTiO3分散在铁电聚合物基体中构成；所述多层级纳米结构TiO2@BaTiO3由纳米TiO2包覆在纳米BaTiO3表面构成。2.根据权利要求1所述的一种多层级纳米结构复合电介质，其特征在于：所述纳米TiO2包括纳米TiO2颗粒和/或TiO2纳米线阵列；所述纳米BaTiO3包括纳米BaTiO3颗粒、纳米BaTiO3纤维、纳米BaTiO3立方体中至少一种；所述铁电聚合物基体包括聚偏氟乙烯、偏氟乙烯
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三氟乙烯共聚物、偏氟乙烯
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三氟乙烯
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氯氟乙烯共聚物中至少一种。3.根据权利要求1或2所述的一种多层级纳米结构复合电介质，其特征在于：所述多层级纳米结构TiO2@BaTiO3与铁电聚合物基体的质量百分比组成为5～20％:95～80％；所述纳米TiO2和纳米BaTiO3的质量百分比组成为5～10％:95～90％。4.根据权利要求1或2所述的一种多层级纳米结构复合电介质，其特征在于：所述多层级纳米结构TiO2@BaTiO3由纳米TiO2颗粒和/或TiO2纳米线阵列包覆在纳米BaTiO3纤维表面构成；所述纳米BaTiO...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡海龙，张帆，岳建岭，罗世彬，张斗，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：