一种高储能二元铁电共混介电薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高储能二元铁电共混介电薄膜及其制备方法，属于介电薄膜材料技术领域

【技术实现步骤摘要】
一种高储能二元铁电共混介电薄膜及其制备方法


[0001]本专利技术涉及介电薄膜材料
，尤其涉及一种高储能二元铁电共混介电薄膜及其制备方法
。

技术介绍

[0002]为了满足储能需求，储能装置的发展受到了广泛的关注
。
在现有的高效储能设备中，相比电池和电化学电容器来说，电介质电容器拥有最高的可释放功率密度
(MW
量级
)
，最高的操作电压
(kV
量级
)
，快速的充放电速率
(
μ
s
～
ns
量级
)
以及长循环寿命
(104
次以上
)
，是电子电气工程
、
高功率脉冲技术等领域的基础元器件之一，是电动汽车逆变器
、
医疗起搏器
、
高压直流输电系统和航空母舰电磁弹射器的核心部件
。
[0003]电介质电容器中的电能是在电场的作用下，通过电介质材料中偶极子和自由电荷的极化来实现存储
。
理论上，电介质材料的放电能量密度
(Ud)
由材料的击穿场强和极化强度决定：
[0004][0005]其中，电位移
(D)
由材料的介电常数
(
ε
r)
确定：
[0006]D
＝
P+
ε0E
＝
ε
r
ε0E
ꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0007]因此，要实现高的放电能量密度需要高的击穿强度
(Eb)、
高的最大电位移
(Dmax)(
即高的
ε
r)
和低的剩余极化
(Pr)。
[0008]储能电介质材料可分为三类：陶瓷电介质，聚合物电介质以及陶瓷
/
聚合物复合电介质
。
陶瓷电介质具有高的介电常数
、
良好的高温稳定性以及优异的机械性能，但较低的击穿场强以及较差的可加工性，难以用于大规模储能器件的制备
。
陶瓷
/
聚合物复合材料由于高介电常数填料的加入也显示出较高的介电常数
。
但是陶瓷和聚合物基体间较大的机械和电学性能差异，复合材料内部容易产生表面缺陷和气孔，长时间工作后易开裂
、
增大介电损耗，也容易成为介电击穿的源头，在高电压时易被击穿，进而造成击穿电场的急剧下降，抑制储能性能的提升
。
[0009]低成本
、
高击穿场强
、
可扩展性强的聚合物电介质材料明显比具有无机组分的电介质更适合制造用于储能的大规模
、
高度稳定的介电电容器
。
此外，聚合物电介质在大电介质薄膜上局部介电击穿的情况下具有独特的自愈行为
。
确保当发生故障或故障时，薄膜与其他部件形成开路而不是短路，从而避免整体损坏
。
现在使用最广泛的商用薄膜电容器双轴取向聚丙烯
(BOPP)
的击穿电场高达
640MV/m
，介电损耗也只有不到
0.02
％
(1kHz)。
但由于
BOPP
的非极性构象，其介电常数只有2左右，导致储能密度只有
2J/cm3左右
。
这使得在实际使用时，大体积
、
大重量的电介质电容器被应用以满足能量的需求
。
随着脉冲功率器件急需向小型化和轻量化发展，开发高击穿场强
、
储能效率高
、
高储能密度的高性能介电储能材料愈发迫切
。

技术实现思路

[0010]针对现有技术中的存在的问题，本专利技术提出了一种高储能二元铁电共混介电薄膜及其制备方法
。
使用聚偏氟乙烯
‑
三氟氯乙烯共聚物
(P(VDF
‑
CTFE))
和聚偏氟乙烯
‑
六氟丙烯共聚物
(P(VDF
‑
HFP))
两种铁电材料组成共混体系，形成聚合物薄膜材料
。
这一突破性成果的取得，为解决储能电容器低能量密度这一行业难题给出了简单
、
高效的设计思路
。
[0011]一种高储能二元铁电共混介电薄膜，由聚偏氟乙烯
‑
氯氟乙烯共聚物和聚偏氟乙烯
‑
六氟丙烯共聚物共混
、
流延
、
干燥制成；所述聚偏氟乙烯
‑
氯氟乙烯共聚物和聚偏氟乙烯
‑
六氟丙烯共聚物的质量比为
x∶1
‑
x
；其中，
0.4≤x≤0.6。
[0012]优选地，
P(VDF
‑
CTFE)
链与
P(VDF
‑
HFP)
链交替排列形成相互贯穿的交错结构
。
根据分子动力学模拟，
P(VDF
‑
CTFE)
链与
P(VDF
‑
HFP)
链具有相似的共混结合能，可以形成稳定的共混溶液
。
由于共混体系熵增原理，
P(VDF
‑
CTFE)
链与
P(VDF
‑
HFP)
链更倾向于交替排列形成相互贯穿的交错结构，同种链的链间距增大，但整体链间距减小
。
[0013]优选地，所述介电薄膜中晶粒尺寸为通过控制两相比例以实现链偶极密度的增大和晶粒尺寸的减小
。
同时共混体系中
β
相和
γ
相含量显著增多，
β
相链构象有利于高极化强度的产生，
γ
相是高击穿场强的合理来源
。
[0014]优选地，所述介电薄膜的厚度为7～
15
μ
m。
[0015]上述的高储能二元铁电共混介电薄膜的制备方法，包括以下步骤：
[0016]S1、
将聚偏氟乙烯
‑
氯氟乙烯共聚物用溶剂溶解，
N,N
‑
二甲基甲酰胺
(DMF)
溶液溶解，搅拌获得溶液
A
；其中所述溶液为质量比为
1:10
的
P(VDF
‑
CTFE)/DMF
溶液；
[0017]S2、
按重量比向溶液
A
中加入聚偏氟乙烯
‑
六氟丙烯共聚物，搅拌溶解形成溶液
B
；以此形成溶液
B
；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种高储能二元铁电共混介电薄膜，其特征在于，由聚偏氟乙烯
‑
氯氟乙烯共聚物和聚偏氟乙烯
‑
六氟丙烯共聚物共混
、
流延
、
干燥制成；所述聚偏氟乙烯
‑
氯氟乙烯共聚物和聚偏氟乙烯
‑
六氟丙烯共聚物的质量比为
x∶1
‑
x
；其中，
0.4≤x≤0.6。2.
根据权利要求1所述的高储能二元铁电共混介电薄膜，其特征在于，所述介电薄膜的厚度为7～
15
μ
m。3.
权利要求1‑2任一项所述的高储能二元铁电共混介电薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、
将聚偏氟乙烯
‑
氯氟乙烯共聚物用溶剂溶解，搅拌获得溶液
A
；其中所述溶液为质量比为
1:10
的
P(VDF
‑
CTFE)/DMF
溶液；
S2、
按重量比向溶液
A
中加入聚偏氟乙烯
‑
六氟丙烯共聚物，搅拌溶解形成溶液
B
；以此形成溶液
B
；
S3、
将溶液
B
在
60
～
80℃
的烘箱里温度下，静置8～
12
分钟，在
0.08
～
0.09MPa
的真空度下抽真空处理除去溶液中的气泡；
S4、
选取硬质基底，利用流延法将所述的溶液
B
用玻璃棒刮涂在硬质基底上，再并将基底放入真空干燥箱在
75
～
85℃
下抽真空静置，最后得到二元共混的有机介电薄膜
。4.
根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤
S1
中，所述溶剂为
DMF(N,N
‑
二甲基甲酰胺<...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢亚，张海波，黄帅康，张国军，谭划，刘凯，马伟刚，张顺平，张晓东，
申请(专利权)人：华中科技大学温州先进制造技术研究院，
类型：发明
国别省市：