一种提高电介质复合材料击穿强度和储能密度的方法与流程

本发明涉及介电储能材料技术领域，特别是指一种提高电介质复合材料击穿强度和储能密度的方法。

背景技术：

随着电子工业的发展，高储能密度的介电材料越来越受到人们的重视。制约材料储能密度的两个参数一个是介电常数(ε)，另一个是电击穿强度(eb)。无机电介质材料通常具有较高的介电常数，但其加工性能差，应用范围受限；聚合物材料虽然加工性能较为优良，但其介电常数较低。因此可以将聚合物基体与无机电介质填料结合起来，制备具有较高储能密度的复合材料，弥补单一材料性能的不足。但是无机填料的加入，会导致复合材料的电击穿强度降低，这也就限制了复合材料储能密度的提升。

常用的介电陶瓷材料包括钛酸钡(bt)、锆钛酸铅(pzt)、钛酸锶钡(bst)等铁电陶瓷材料和二氧化钛(to)等非铁电陶瓷材料，其具有价格低、易制备、介电常数高、机械强度高、热稳定性好等优点，是较为理想的填充材料。然而无机材料的填充虽然能够获得较高的介电常数，但是会降低聚合物的击穿场强，这是因为基体与填料之间形成的过渡区域具有与基体和填料显著不同的化学成分，称之为界面层。界面层的厚度、界面结构、界面相容性及粗糙程度等对材料的物理和化学性能有很大影响甚至起到控制作用。界面强相互作用的出现使得纳米粒子的分散取向与聚合物链取向运动协同，能够引起界面网络结构的出现；相反，聚合物纳米复合材料在没有界面强相互作用时，会显示较弱的两相取向和形变期间强烈的空穴现象。将陶瓷纳米填料简单地混入聚合物基体中，由于填料与基体间的相互作用较弱，制得的材料普遍存在着微观结构可控性差、易产生缺陷导致击穿场强下降等问题。

针对以上问题，国内外许多研究者都十分关注纳米填料与聚合物基体间的界面，通常都采用表面改性剂对填料粒子进行表面改性，在填料与聚合物基体之间增加有机壳层，通过有机壳层形成的介电性能缓冲层，降低填料与聚合物之间的界面极化，改善填料与聚合物的界面相容性，提升复合材料综合性能。如，wang等人用聚乙烯醇(pva)包覆石墨烯纳米片(gnp)，然后加入pvdf中制备纳米复合材料，pva不仅可以阻止gnp的聚集，而且可以增强填料与基体的相互作用。该材料具有较高的ε和较低的损耗。song等人用聚多巴胺改性bt纳米颗粒，发现可以钝化填料表面并提高填料与聚合物基体pvdf或er间的界面相互作用，从而提高其eb。dang等人通过三辊研磨后模压制备了硅烷偶联剂化学改性tio/硅橡胶(sr)纳米复合材料。发现与未改性的相比，其eb、断裂伸长所降低。作者将其归因于填料在基体中的率都有明显提高，且介电损耗有更好分散以及二者间的更强界面相互作用。

钛酸酯偶联剂，对热塑性聚合物与干燥填充剂有良好的偶联效能，能与无机物表面的氢离子或水反应，并能与聚合物发生交联或酯化作用，形成单分子层“桥键”的有机钛化合物。能降低填料的表面能，提高填料与聚合物基的亲和性，从而可以增加聚合物基体与无机填料的相容性，改善表面缺陷，有望成为一种良好的表面改性剂用于提升复合电介质材料性能。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种提高电介质复合材料击穿强度和储能密度的方法。通过表面改性剂包覆在无机纳米填料外形成有机壳层，提高了无机纳米填料和聚合物基体的界面相容性，减少了填料与聚合物基体之间的界面缺陷，有效改善了复合薄膜的电击穿性能随填料增加而恶化的问题，相应地提升了储能密度。

该电介质复合材料由无机纳米填料和聚合物基体复合而成，该方法通过将无机纳米填料进行预处理，然后用表面改性剂包覆无机纳米填料，最后制得复合电介质薄膜，具体包括如下步骤：

(1)无机纳米填料的预处理：

①将无机纳米填料在50～100℃保温10～24h进行烘干；

②称取1～5g上述烘干的无机纳米填料加入三孔圆底烧瓶，加入50～200ml双氧水，超声分散0.5～2h；

③将超声分散后的无机纳米填料在102～120℃油浴下磁力搅拌，加热回流2～12h；

④最后，将磁力搅拌后的无机纳米填料冷却至室温，用去离子水离心洗涤，产物在50～100℃下烘干12～24h；

(2)表面改性剂包覆无机纳米填料：

①称取1～3g步骤(1)中所得的预处理产物，置于三口圆底烧瓶，加入50～200ml异丙醇；边超声边搅拌30～60min；

②向上述超声后的产物中滴加0.1ml～1.2ml钛酸酯偶联剂，磁力搅拌在50～80℃水浴下回流2～6h；

③上述磁力搅拌反应后降至室温，以去离子和无水乙醇离心洗涤，在60～80℃下烘干12～24h；

(3)复合电介质薄膜制备：

①称取经步骤(2)处理后的改性无机纳米填料置于有机溶剂中，采用超声波振荡分散及磁力搅拌至改性无机纳米填料在溶剂内形成稳定悬浮液；

②向上述悬浮液内加入聚合物基体粉末，磁力搅拌使其完全溶解，得到混合液，其中聚合物基体粉末与改性无机纳米填料的体积比为1～20vol％；

③取上述混合液于流延机中流延至基板上，将其置于40～70℃下烘干12～24h，使溶剂完全挥发；

④将烘干后的薄膜从基板上揭下，得到复合电介质薄膜。

其中，无机纳米填料成分为钛酸钡(batio3)、钛酸锶钡(baxsr1-xtio3，(x＝0.3～1.0))、二氧化钛(tio2)、锆钛酸铅(pbzrxti1-xo3，(x＝0.3～0.7))等常见电介质中的一种，无机纳米填料形态为纳米颗粒、纳米线或纳米纤维等。

聚合物基体为聚偏氟乙烯(pvdf)、聚偏氟-三氟乙烯(p(vdf-trfe))、聚偏氟乙烯-六氟丙烯(pvdf-hfp)等pvdf基共聚物以及环氧树脂(epoxy,ep)、聚丙烯(pp)、聚酯(聚对苯二甲酸乙二酯pet)、聚酰亚胺(pi)中的一种。

钛酸酯偶联剂为填料表面改性剂，改性无机纳米填料表面包覆了1～10nm的有机壳层，形成一种无机-有机核壳结构。

复合电介质薄膜中无机纳米填料的含量为体积比1～20％，复合电介质薄膜的总厚度为5～30μm。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

上述方案中，复合材料中的纳米陶瓷颗粒能够提升复合薄膜的介电常数和极化强度；但随着纳米陶瓷颗粒填量的增加，聚合物的电击穿下降较快。通过在填料表面包覆改性，从而在填料表面形成完善均匀的有机层，这种有机层的存在改善填料与聚合物的界面相容性，从而提高填料在基体中的分散可控性和稳定性，使得复合薄膜同时具备较高介电常数和较低的损耗，同时缓减无机填料加入后恶化聚合物基的击穿场强，从而获得较高的储能密度。

附图说明

图1为本发明的提高电介质复合材料击穿强度和储能密度的方法钛酸酯偶联剂改性无机纳米颗粒示意图；

图2为本发明中bt，羟基化钛酸钡(bt-oh)，tc-2改性后钛酸钡(bt-tc-2)红外光谱谱图；

图3为本发明中改性前后bt颗粒与pvdf的dmf溶液的接触角，其中，从(a)、(b)、(c)、(d)分别是刚滴落瞬间、30s后、90s后、3min后的pvdf的dmf溶液与改性后bt的接触角大小，(e)、(f)、(g)、(h)分别是改性前刚滴落瞬间、30s后、90s后、3min后的pvdf的dmf溶液与改性后bt的接触角大小；

图4为本发明不同改性剂添加量下复合薄膜脆断面扫描电镜图，其中，(a)、(b)、(c)、(d)、(e)分别是改性剂添加为0ml/g、0.1ml/g、0.2ml/g、0.3ml/g、0.4ml/g的条件下制备的改性颗粒在相同体积分数(10vol％)下填充pvdf薄膜断面扫描样品；

图5为本发明不同改性剂添加量改性的bt的透射电镜图片，其中，(a)、(b)、(c)、(d)改性剂的添加量分别为：(a)0.1ml/g；(b)0.2ml/g；(c)0.3ml/g；(d)0.4ml/g；

图6为本发明不同改性剂添加量下bt不同含量复合薄膜的电击穿weibull分布图，其中，(a)、(b)、(c)、(d)、(e)改性剂的添加量分别为：(a)0.1ml/g；(b)0.2ml/g；(c)0.3ml/g；(d)0.4ml/g；(e)0ml/g；

图7为本发明改性剂添加量不同时，bt-pvdf复合薄膜的电击穿强度与填料含量变化图像；

图8为本发明不同改性剂添加条件下的bt不同含量复合薄膜的电场-极化曲线，其中，(a)、(b)、(c)、(d)、(e)改性剂的添加量分别为：(a)0.1ml/g；(b)0.2ml/g；(c)0.3ml/g；(d)0.4ml/g；(e)0ml/g；

图9为本发明改性剂添加量不同时，不同bt添加量对应的复合薄膜能量密度图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种提高电介质复合材料击穿强度和储能密度的方法。

该方法中电介质复合材料由无机纳米填料和聚合物基体复合而成，该方法通过将无机纳米填料进行预处理，然后用表面改性剂包覆无机纳米填料，最后制得复合电介质薄膜，具体包括如下步骤：

(1)无机纳米填料的预处理：

①将无机纳米填料在50～100℃保温10～24h进行烘干；

②称取1～5g上述烘干的无机纳米填料加入三孔圆底烧瓶，加入50～200ml双氧水，超声分散0.5～2h；

③将超声分散后的无机纳米填料在102～120℃油浴下磁力搅拌，加热回流2～12h；

④最后，将磁力搅拌后的无机纳米填料冷却至室温，用去离子水离心洗涤，产物在50～100℃下烘干12～24h；

(2)表面改性剂包覆无机纳米填料：(改性后如图1所示)

①称取1～3g步骤(1)中所得的预处理产物，置于三口圆底烧瓶，加入50～200ml异丙醇；边超声边搅拌30～60min；

②向上述超声后的产物中滴加0.1ml～1.2ml钛酸酯偶联剂，磁力搅拌在50～80℃水浴下回流2～6h；

③上述磁力搅拌反应后降至室温，以去离子和无水乙醇离心洗涤，在60～80℃下烘干12～24h；

(3)复合电介质薄膜制备：

①称取经步骤(2)处理后的改性无机纳米填料置于有机溶剂中，采用超声波振荡分散及磁力搅拌至改性无机纳米填料在溶剂内形成稳定悬浮液；其中，有机溶剂包括dmf、dmac、nmp、dmso等。

②向上述悬浮液内加入聚合物基体粉末，磁力搅拌使其完全溶解，得到混合液，其中聚合物基体粉末与改性无机纳米填料的体积比为1～20vol％；

③取上述混合液于流延机中流延至基板上，将其置于40～70℃下烘干12～24h，使溶剂完全挥发；

④将烘干后的薄膜从基板上揭下，得到复合电介质薄膜。

在实际应用过程中，一种填料核心为batio3(bt)纳米颗粒，改性剂为编号为tc-2的钛酸酯偶联剂的核壳结构纳米粒子的典型制备流程为：

(1)填料的预处理：将bt颗粒在烘箱中70℃保温12h。称取3g烘干后的bt颗粒加入三口圆底烧瓶中，加入70ml双氧水，超声分散半小时，反应体系在106℃油浴下磁力搅拌，加热回流6h，反应结束后，冷却至室温，采用低速离心机离心(3000r，10min)，再用去离子水离心洗涤两次，得到的产品在80℃下烘干12h。研磨，得到羟基化的bt纳米颗粒(bt-oh)；

(2)钛酸酯偶联剂包覆纳米填料：称取1g的bt-oh粉末置于三口圆底烧瓶，加入80ml异丙醇中，边超声边搅拌半小时，滴加一定量的tc-2，磁力搅拌下于70℃水浴下回流2h，反应完冷却至室温，低速离心(3000r，10min)，以去离子水离心洗涤一次，无水乙醇离心洗涤两次，80℃下烘干12h。烘干后产物研磨成粉末，得到tc-2包覆的bt纳米颗粒(bt-tc-2)。

一种填料为bt-tc-2纳米颗粒，聚合物基体为pvdf的典型制备流程为：

(1)称取0.0301g的bt-tc-2纳米颗粒置于10ml有机溶剂dmf中，采用超声波振荡分散及磁力搅拌至纳米填料在溶剂内形成稳定悬浮液；

(2)向上述悬浮液内加入1g的pvdf粉末，磁力搅拌使其完全溶解；

(3)取(2)中混合液于流延机中流延至基板上，将其在70℃下烘干12h，使溶剂完全挥发。

(4)将烘干后的薄膜从基板上揭下，得到填料含量5vol％的复合电介质薄膜bt-tc-2/pvdf。

常用的钛酸酯偶联剂主要成分的结构式和常用代号如下：

tc-f：

tc-2：

tc-wt：

实施例1

batio3羟基化：称取3g干燥好的batio3加入三口圆底烧瓶中，加入70ml双氧水，超声分散半小时，反应体系在106℃油浴下磁力搅拌，加热回流6h，反应结束后，冷却至室温，采用低速离心机离心(3000r，10min)，再用去离子水离心洗涤两次，得到的产品在80℃下烘干12h。研磨，得到batio3-oh；

tc-2表面包覆改性：称取1g的batio3-oh粉末置于三口圆底烧瓶，溶解在80ml异丙醇中，边超声边搅拌30min，促进其溶解，滴加0.1mltc-2磁力搅拌在70℃油浴下回流2h，反应完冷却至室温，低速离心得产物，以去离子水离心洗涤一次，无水乙醇离心洗涤两次，80℃下烘干12h。烘干后产物研磨成粉末，得到tc-2包覆的纳米bt颗粒。

对改性前后的纳米bt颗粒以及tc-2偶联剂做红外分析，取干燥的溴化钾在研钵中研磨压片，以纯溴化钾压片为背景，然后在溴化钾片上滴加tc-2测试其红外性能。再取改性前后的bt粉末，与溴化钾混合压片，用纯溴化钾做背景，测试结果如图2所示。

实施例2

batio3羟基化：称取3g干燥好的batio3加入三口圆底烧瓶中，加入70ml双氧水，超声分散半小时，反应体系在106℃油浴下磁力搅拌，加热回流6h，反应结束后，冷却至室温，采用低速离心机离心(3000r，10min)，再用去离子水离心洗涤两次，得到的产品在80℃下烘干12h。研磨，得到batio3-oh；

tc-2表面包覆改性：称取1g的batio3-oh粉末置于三口圆底烧瓶，溶解在80ml异丙醇中，边超声边搅拌30min，促进其溶解，滴加0.1mltc-2磁力搅拌在70℃油浴下回流2h，反应完冷却至室温，低速离心得产物，以去离子水离心洗涤一次，无水乙醇离心洗涤两次，80℃下烘干12h。烘干后产物研磨成粉末，得到tc-2包覆的纳米bt颗粒。

分别取一定量干燥好的改性和未改性的bt纳米颗粒，在研钵中研磨好，进行压片。称取0.5gpvdf加入到4mldmf中，然后放在30℃的热台上搅拌过夜，形成均匀溶液。

将压好的片层放于载物台上，调整载物台水平，针头高度合适。将上述配制好的溶液滴加到压好的bt片层上。通过接触角测试仪观察液滴在片层表面的大小及其变化。如图3及表1所示，经过改性的bt颗粒与pvdf的dmf溶液的接触角明显小于未经改性的bt颗粒与pvdf的dmf溶液的接触角，这说明经过钛酸酯偶联剂的改性，bt填料与pvdf基体浸润性明显变好，界面相容性变好。从图中可以看出，经过改性bt填料与pvdf的dmf溶液的接触角明显变小，这说明经过改性改善了bt颗粒与pvdf的界面相容性。

表1

实施例3

称取0.01204g未改性的bt纳米颗粒，加入到4mldmf中超声分散至纳米填料在溶剂内形成稳定悬浮液；向上述悬浮液内边搅拌边加入0.5gpvdf，然置于30℃下过夜搅拌使其完全溶解。搅拌均匀后在干燥洁净的玻璃板上流延成膜。将溶液流延的复合薄膜置于烘箱中，60-80℃条件下烘干，使溶剂完全挥发。得到填料含量为2vol％的复合薄膜bt/pvdf。

改变bt颗粒的添加量，制备填充量分别为2％、4％、6％、8％、10％的bt-pvdf复合薄膜。

对复合薄膜进行扫描电镜观察，如图4(a)所示，发现bt颗粒在pvdf基体中团聚严重，测试复合薄膜的电击穿性能和储能密度，结果分别如图6(e)和图8(e)所示。由图6(e)看出，加入bt颗粒后pvdf薄膜电击穿性能迅速下降，bt添加量越大，下降越明显。从图8(e)d-eloops曲线与y轴形成的面积进行积分计算，在填料体积分数分别为2％、4％、6％、8％、10％时，所得的储能密度分别为3.18j/cm³、2.81j/cm³、2.94j/cm³、2.83j/cm³、1.87j/cm³。

实施例4

batio3羟基化：称取3g干燥好的batio3加入三口圆底烧瓶中，加入70ml双氧水，超声分散半小时，反应体系在106℃油浴下磁力搅拌，加热回流6h，反应结束后，冷却至室温，采用低速离心机离心(3000r，10min)，再用去离子水离心洗涤两次，得到的产品在80℃下烘干12h。研磨，得到batio3-oh；

tc-2表面包覆改性：称取1g的batio3-oh粉末置于三口圆底烧瓶，溶解在80ml异丙醇中，边超声边搅拌30min，促进其溶解，滴加0.1mltc-2磁力搅拌在70℃油浴下回流2h，反应完冷却至室温，低速离心得产物，以去离子水离心洗涤一次，无水乙醇离心洗涤两次，80℃下烘干12h。烘干后产物研磨成粉末，得到tc-2包覆的纳米bt颗粒。

重复以上步骤将tc-2的添加量变动为0.2ml/g、0.3ml/g、0.4ml/g，制备不同改性剂添加量的bt-tc-2纳米颗粒。

对改性的纳米bt颗粒进行透射电镜分析，结果如图5所示，可以看出纳米填料外层的有机壳层厚度，随改性剂添加量增加而增加：改性剂加入为0.1ml/g时，纳米颗粒外层形成了厚度为3nm左右的有机壳层；当改性剂加入为0.2ml/g时，有机壳层厚度增加到4-5nm；改性剂填量为0.3ml/g时，有机壳层厚度增加至5.5-6nm；当改性剂添加量为0.4ml/g时，有机壳层厚度增大至7nm以上。但从图5中也可以看出，改性剂添加量在0.3、0.4ml/g时，形成的有机壳层厚度变得不均匀，这种有机层分布的不均匀使颗粒间有会出现少量团聚现象。所以在改性剂为0.2ml/g时，有机壳层包覆效果最好。高于0.2ml/g时形成的有机壳层厚度不均匀，对无机颗粒的包覆不完善。

称取0.0602gbt-tc-2纳米颗粒置于有机溶剂(如dmf)中，采用超声波振荡分散至纳米填料在溶剂内形成稳定悬浮液；向上述悬浮液内加入0.5gpvdf，搅拌使其使其完全均匀；取一份上述混合液于流延机中流延，将其置于60-80℃烘干，使溶剂完全挥发，得到填料量为10％的复合薄膜。

改变bt的含量，制备2vol％、4vol％、6vol％、8vol％、10vol％一组数据量的复合薄膜。

对复合薄膜进行扫描电镜、电击穿、储能测试。测试结果如图4、6、8所示。

从图4sem图像可以看出添加钛酸酯偶联剂后bt颗粒在pvdf基体中分散性变好，团聚减少。改性剂添加量为0.2ml/g时bt颗粒分散效果最好，在pvdf基体中的团聚最少。

从图6的单张图看，随这bt颗粒的加入复合薄膜的电击穿强度都是下降的，但加入改性剂后击穿下降有所缓减，不同改性剂添加量下电击穿强度下降程度是不同的。在改性剂添加量为0.2ml/g时电击穿下降幅度最小。

综合比较图8(a)到(e)可以看出，与未经改性的相比，经过改性后制备的复合薄膜，所能施加的电场大，电滞回线所涉及的面积大，曲线与y轴所形成的面积也大，储能密度也就大。从单张图可以看出，当填料越多时，横坐标范围越小，所能施加的最大电压越小，也就限制了储能密度的数值。

由图7可以看出，在改性剂添加量相同的一组内，随着bt体积分数的增大复合薄膜电击穿性能越差；在同一添加量下进行对比，发现当改性剂添加量为0.2ml/g时电击穿性能最优。

从图9中可以较为直观的看出在改性剂添加量为0.2ml/g时，制备的复合薄膜的储能密度较高，当bt含量为4vol％时，制备的复合薄膜储能最大，由原始的4.38j/cm³提升至7.39j/cm³。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。