一种电场分布均匀的非对称多层结构全有机介电复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种电场分布均匀的非对称多层结构全有机介电复合材料及其制备方法，涉及介电复合材料领域。该复合材料由上至下包括顶层、中间层以及底层；其中，顶层为纯聚偏氟乙烯薄膜，底层为纯芴聚酯薄膜；所述中间层为至少两层的聚偏氟乙烯/芴聚酯的混合物薄膜；所述中间层中聚偏氟乙烯/芴聚酯的比例为1％～99％：99％～1％。本发明专利技术的结果表明，均匀化分布的电场显著提升了能量密度(即从纯FPE的3.83提高到12.70J/cm3)和能量效率(即从纯PVDF的52.5％提高到74.6％)。该复合材料还获得了良好的循环稳定性和高功率密度，由此表明该复合材料在高性能介质电容器中具有巨大的应用潜力。应用潜力。应用潜力。

【技术实现步骤摘要】
一种电场分布均匀的非对称多层结构全有机介电复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及介电复合材料领域，特别涉及一种电场分布均匀的非对称多层结构全有机介电复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着现代电子电力设备的蓬勃发展，人们对产品的便携性和高性能提出了更高的要求。电介质电容器因其高的功率密度和长的循环使用寿命，在微波通信、柔直输电和高功率脉冲武器等领域具有广阔应用前景。然而，其最大的缺点是放电能量密度低，严重限制了其应用领域扩展。
[0003]众所周知，电介质的放电能量密度U
dis
与击穿电场和极化强度密切相关，可根据公式U
dis
＝∫EdD计算，电位移D＝ε0ε
r
E，其中ε0，ε
r
和E分别为真空介电常数(8.85
×
10
‑
12
F/m)，材料的相对介电常数和击穿电场。近年来，开发了一些典型的可行策略来提升聚合物介质的极化和击穿强度，包括聚合物分子链的微观结构设计与修饰、聚合物共混物以及构建有机/无机复合材料。例如，He等人分别制备了基于PMMA的无规共聚物薄膜、嵌段共聚物薄膜和共混薄膜，并探讨了顺序结构、相分离结构和改性方法对基于PMMA的介质储能性能的影响。由于π共联苯并苯蒽基团的强静电吸引抑制了电子注入和电荷转移，在872kV/mm下，PMMA基无规共聚物薄膜的放电能量密度达到15.00J/cm3，能量效率为80％(Energy Environ.Mater.2023,0,e12577)。虽然分子链设计修饰和聚合物共混物是提高聚合物介质储能性能的有效途径，但对极化和放电能量密度的提升却非常有限。
[0004]为了进一步提高介电复合材料的极化强度，通常在聚合物基体中引入了具有高介电常数的无机填料。如CN201410606390.7公开了一种储能复合材料的制备方法，其虽然采用海因环氧树脂包覆修饰陶瓷材料，然后与偏氟乙烯树脂或偏氟乙烯共聚物树脂基体复合，得到储能复合材料，克服了无机陶瓷和有机高分子材料相容性不好和混合不均匀的问题。然而，无机填料的聚集很容易导致意外缺陷。此外，有机聚合物基体与无机填料之间的介电失配会导致局部电场的集中和电场的严重畸变，从而导致击穿电场的恶化，介电损耗的增加和能量效率的下降。
[0005]多层结构复合材料具有较强的可设计性和可控性，可以充分结合不同介电层的优点，实现复合材料的优良综合性能。为了实现放电能量密度和能量效率的协同提高，构建合理的多层结构可能是一种重新整合电场分布和优化储能性能的可行方法。例如，Sun等人制备了一种以线性PMMA为顶层，以铁电P(VDF
‑
HFP)为底层，以PMMA/P(VDF
‑
HFP)共混物为过渡层的夹层结构复合材料。过渡层的引入可以使夹层结构复合材料内部的电场均匀化，显著提高击穿强度和能量密度。结果在490kV/mm电场下，得到的放电能量密度为7.5J/cm3，效率为85％(ACS Appl.Mater.Interfaces 2021,13,27522
‑
27532)。Li等人设计了具有不同拓扑结构的全有机聚合物多层PMMA/P(VDF
‑
HFP)薄膜，发现多层薄膜的击穿行为依赖于梯度过渡层的结构。通过调整梯度过渡层的结构，在623kV/mm下，两个过渡层的复合材料获得了
7.34J/cm3的放电能量密度和89.5％的效率(Materials Today Energy 29(2022)101119)。如CN202011476097.5公开了一种非对称三层结构全聚合物介电复合材料及其制备方法，但是该复合材料最高储能密度仅达10.3J/cm3，纯PEI层与中间层之间存在明显的层间分离缺陷，使得纯PEI层需要承受较高的电场，外加电场容易在这个缺陷中聚集，导致电场分布不够均匀。

技术实现思路

[0006]本专利技术提供了一种电场分布均匀的非对称多层结构全有机介电复合材料及其制备方法，其目的是为了解决
技术介绍
存在的上述问题。
[0007]为了达到上述目的，本专利技术的实施例提供了一种电场分布均匀的非对称多层结构全有机介电复合材料及其制备方法。
[0008]本专利技术的实施例提供了一种电场分布均匀的非对称多层结构全有机介电复合材料，由上至下包括顶层、中间层以及底层；其中，顶层为纯聚偏氟乙烯薄膜，底层为纯芴聚酯薄膜；所述中间层为不同比例聚偏氟乙烯/芴聚酯的混合物薄膜；所述顶层、中间层以及底层的厚度均相同。
[0009]优选地，所述中间层为至少两层的聚偏氟乙烯/芴聚酯的混合物薄膜。
[0010]优选地，所述中间层中聚偏氟乙烯/芴聚酯的比例为1％～99％：99％～1％。
[0011]优选地，所述中间层由95％聚偏氟乙烯/5％芴聚酯混合的薄膜和5％聚偏氟乙烯/95％芴聚酯混合的薄膜，85％聚偏氟乙烯/15％芴聚酯混合的薄膜和15％聚偏氟乙烯/85％芴聚酯混合的薄膜，75％聚偏氟乙烯/25％芴聚酯混合的薄膜和25％聚偏氟乙烯/75％芴聚酯混合的薄膜，65％聚偏氟乙烯/35％芴聚酯混合的薄膜和35％聚偏氟乙烯/65％芴聚酯混合的薄膜，55％聚偏氟乙烯/45％芴聚酯混合的薄膜和45％聚偏氟乙烯和55％芴聚酯混合的薄膜中的至少一种组成。
[0012]优选地，所述电场分布均匀的非对称多层结构全有机介电复合材料的厚度为10～20微米。
[0013]优选地，所述电场分布均匀的非对称多层结构全有机介电复合材料的厚度为12～16微米。
[0014]基于一个专利技术总的构思，本专利技术实施例还提供了上述的制备方法，包括如下步骤：
[0015]S1:配置纯聚偏氟乙烯、纯芴聚酯、不同比例聚偏氟乙烯/芴聚酯混合物的溶液：
[0016]S2:将上述溶液采用溶液浇筑法，制备复合材料的中间体；浇筑过程中每层所用刮刀厚度与溶液浓度有关，保持干燥后每层厚度基本一致；
[0017]S3:将所述复合材料的中间体进行真空干燥和热压处理，获得电场分布均匀的非对称多层结构全有机介电复合材料。
[0018]优选地，步骤S1中，具体包括如下步骤：
[0019]S1.1称取聚偏氟乙烯，溶于N,N
‑
二甲基甲酰胺中，搅拌混合均匀，获得纯聚偏氟乙烯溶液；
[0020]S1.2称取芴聚酯，溶于N,N
‑
二甲基甲酰胺中，搅拌混合均匀，获得纯芴聚酯溶液；
[0021]S1.3称取不同比例的聚偏氟乙烯、芴聚酯，溶于N,N
‑
二甲基甲酰胺中，搅拌混合均匀，获得不同比例聚偏氟乙烯/芴聚酯的混合溶液；其中不同组分的混合溶液，各成分含量
之和等于100％。
[0022]优选地，所述纯聚偏氟乙烯溶液的浓度为6～12wt.％，纯芴聚酯溶液的浓度为8～15wt.％。具体浓度还以溶液浇筑相匹配，溶液太稀或太黏都不易成膜或成膜质量较差。如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)浓度则为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电场分布均匀的非对称多层结构全有机介电复合材料，其特征在于，由上至下包括顶层、中间层以及底层；其中，顶层为纯聚偏氟乙烯薄膜，底层为纯芴聚酯薄膜；所述中间层为不同比例聚偏氟乙烯/芴聚酯的混合物薄膜；所述顶层、中间层以及底层的厚度均相同。2.一种电场分布均匀的非对称多层结构全有机介电复合材料，其特征在于，所述中间层为至少两层的聚偏氟乙烯/芴聚酯的混合物薄膜。3.根据权利要求2所述的电场分布均匀的非对称多层结构全有机介电复合材料，其特征在于，所述中间层中聚偏氟乙烯/芴聚酯的比例为1％～99％：99％～1％。4.根据权利要求3所述的电场分布均匀的非对称多层结构全有机介电复合材料，其特征在于，所述中间层由95％聚偏氟乙烯/5％芴聚酯混合的薄膜和5％聚偏氟乙烯/95％芴聚酯混合的薄膜，85％聚偏氟乙烯/15％芴聚酯混合的薄膜和15％聚偏氟乙烯/85％芴聚酯混合的薄膜，75％聚偏氟乙烯/25％芴聚酯混合的薄膜和25％聚偏氟乙烯/75％芴聚酯混合的薄膜，65％聚偏氟乙烯/35％芴聚酯混合的薄膜和35％聚偏氟乙烯/65％芴聚酯混合的薄膜，55％聚偏氟乙烯/45％芴聚酯混合的薄膜和45％聚偏氟乙烯和55％芴聚酯混合的薄膜中的至少一种组成。5.根据权利要求4所述的电场分布均匀的非对称多层结构全有机介电复合材料，其特征在于，所述电场分布均匀的非对称多层结构全有机介电复合材料的厚度为10～20微米。6.根据权利要求4所述的电场分布均匀的非对称多层结...

【专利技术属性】
技术研发人员：张斗，刘媛，熊昊，罗行，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：