用于电子应用的聚合物纳米复合物的制作方法
【专利说明】用于电子应用的聚合物纳米复合物
【背景技术】
[0001] 能量密度和耐电晕性（或耐电压性）是两种关键的性能，通常用于表征目的为用 于绝缘和电容应用的材料的性能。这类介电设计中常见的问题包括最大化能量密度和耐电 压性。用于改善塑料材料情况中的这些介电性质的策略之一包括将纳米尺寸的无机填料添 加至聚合物基质。聚合物具有相对高的介电击穿强度以及相对低的介电常数（DK)。无机填 料具有高的DK但是相对低的介电击穿强度。包含作为连续相的高击穿强度的聚合物和作 为分散相的高DK填料的复合聚合物材料可以提供用于绝缘应用（要求改善的能量密度和 /或耐电晕性）的材料设计的替代方案。
[0002] 在文献中使用的生产改善的介电特性的材料的经典方法是将高DK填料加入至聚 合物中以致力于增加起始聚合物的耐电压性和能量密度二者。在电容器和/或超级电容器 中，这类材料是有用的，具有估计的市场为每年约4亿美元。发展至今的超级电容器通常具 有较高的功率密度，但是在许多应用中，缺乏待利用的充足的能量密度。缺乏能量密度可以 导致超级电容的快速充电和放电并且可以限定功率输出至数秒时间期间。对于增加超级电 容的能量密度以便更紧密接近常规商业电池可供使用的近似值存在强烈的兴趣。
[0003] 因此，存在对于纳米复合材料、其装置和其方法的需要，相对于聚合物它们具有较 高的DK和耐电晕性，同时具有升高的或基本保持的能量密度，击穿强度和损耗因子（DF)。 在本发明中描述了这类纳米复合材料，使用这类纳米复合材料的设备和方法。
【发明内容】
[0004] 根据本发明的目的，如本发明体现和广泛描述的，在一个方面，本公开涉及纳米复 合材料，并且特别是具有相对于聚合物升高的或基本保持的能量密度、击穿强度和损耗因 子（DF)的纳米复合材料。
[0005] 本发明公开了包含含有表现出基础耐电晕性（basecoronaresistance)、基础DK 值（baseDKvalue)&、基础能量密度（baseenergydensity)和基础介电击穿强度（base dielectricbreakdownstrength)的聚合材料的连续聚合物相；以及含有表现出DK值 K2(其中，K2值大于Ki，并且其中，纳米颗粒无机填料材料分散于连续聚合物相）的纳米颗粒 无机填料材料的分散颗粒相的纳米复合物；并且其中，该纳米复合物表现出大于聚合物材 料的基础耐电晕性的耐电晕性。
[0006] 与未填充的聚合物相比，该纳米复合物可以具有较高的DK和改善的耐电晕性。与 聚合物材料相比，该纳米复合物具有更高的耐电晕性（或耐电压性）以及较高的DK。以及 相似于或稍低于未填充聚合物的介电击穿强度和能量密度的介电击穿强度和能量密度。此 外，与未填充的聚合物相比，由聚合物和填料制备的这些纳米复合物的DF可以1 %低于并 且随着加入具有不断升高的DK的填料，是相似的或稍微增加。
[0007] 本文还公开了由这些纳米复合材料制备的薄膜，其可以在电子应用，如电容器和 超级电容器中用作介电层。在这些应用中使用的薄膜可以是例如，10 厚或更小，并且可 以通过溶液（溶剂浇铸）或熔融加工（挤出）制备。
[0008] 本文还公开了制造的制品或包含纳米复合物的设备。这类设备可以是，例如，电容 器或超级电容器。
[0009] 本发明还公开了制备纳米复合物的方法，包含以下步骤：a.在溶剂中分散纳米颗 粒无机填料材料；b.通过将聚合物材料溶解于溶剂中制备系统；c.由该系统浇铸纳米复合 材料。该纳米复合物可以是本发明描述的任何纳米复合物。制备这些纳米复合物的替代方 法是使用混合设备，如混合器和挤出机，其中，填料不均匀分散于聚合物熔体以形成纳米复 合物。在这种情况下，不使用溶剂以影响聚合物中填料的分散。
【附图说明】
[0010] 结合至本说明书中并且构成本说明书一部分的附图，说明了多个方面并且连同说 明书一起用来解释本发明的原理。
[0011] 图1示出了相对于它们的介电击穿强度和DK不同材料的关系。
[0012] 图2示出了通过加入不同的浓度的不同填料，纳米复合物的DK的增加的模型结 果。
[0013] 图3A-图3D示出了ULTEM1000的DK和DF。3A示出了用于ULTEM1000的7种样 品的DK。3B示出了ULTEM1000的DK，为在样品制备期间干燥条件的函数。3C示出了ULTEM 1000的7种样品的DF。3D示出了ULTEM1000的DF，为在样品制备期间干燥条件的函数。
[0014] 图4示出了具有A1203作为ULTEM1000中的填料的纳米复合物的介电击穿强度。
[0015] 图5A和5B示出了具有A1203作为ULTEM1000中的填料的纳米复合物的DK和DF。
[0016] 图6示出了不同频率的ULTEM1000的DK和DF。
[0017] 图7A和图7B示出了具有A1203 (2-4x2800纳米（nm)晶须）作为ULTEM1000中的 填料的纳米复合物的DK和DF。
[0018] 图8A和图8B示出了具有Al203 (10nm球体）作为ULTEM1000中的填料的纳米复 合物的DK和DF。
[0019] 图9A和图9B示出了具有Al203(40-40nm球体）作为ULTEM1000中的填料的纳米 复合物的DK和DF。
[0020] 图10A和图10B示出了具有Al203(150nm球体）作为ULTEM1000中的填料的纳米 复合物的DK和DF。
[0021] 图11示出了具有A1203作为ULTEM1000中的填料的纳米复合物的能量密度。
[0022] 图12A和图12B示出了具有BaTi03作为ULTEM1000中的填料的纳米复合物的DK 和DF。
[0023] 图13A和图13B示出了具有BaTi03作为ULTEM1000中的填料的纳米复合物的击 穿强度和形状因子。
[0024] 图14示出了具有A1203或BaTiO3作为ULTEM1000中的填料的纳米复合物的能量 密度。
[0025] 图15A和图15B示出了具有Ti02作为ULTEM1000中的填料的纳米复合物的DK和 DF〇
[0026] 图16示出了具有Ti02作为ULTEM1000中的填料的纳米复合物的介电击穿强度。
[0027] 图17示出了具有Ti02、BaTi03，或A1203作为ULTEM1000中的填料的纳米复合物 的能量密度。
[0028] 图18示出了击穿强度，为具有Ti02、BaTi03，或A1203作为ULTEM1000中的填料的 纳米复合物的DK的函数。
[0029] 图19示出了DF，为具有Ti02、BaTi03，或A1203作为ULTEM1000中的填料的纳米 复合物的DK的函数。
[0030] 图20A和图20B示出了具有Ti02、BaTi03,或A1203作为ULTEM1000中的填料的纳 米复合物的DK和DF。
[0031] 图21A和图21B示出了具有Ti02、BaTi03或A1 203作为ULTEM1000中的填料的纳 米复合物的介电击穿强度和能量密度。
[0032] 图22A至图22C示出了ULTEM1000纳米复合物中的纳米填料的分散体的扫描电 镜图（SEM)。图22A示出了A1203作为ULTEM1000中的填料。图22B示出了Ti02作为ULTEM 1000中的填料。图22C示出了BaTi03作为ULTEM1000中的填料。
[0033] 图23A和23B示出了具有15nm二氧化硅干粉末作为ULTEM1000中的填料的纳米 复合物的DK和DF。
[0034] 图24A和24B示出了具有80nm的二氧化硅干粉末作为ULTEM1000中的填料的复 合物的DK和DF。
[0035] 图25A和25B示出了具有15或80nm二氧化硅干燥粉末作为ULTEM1000中的填料 的纳米复合物的击穿强度和能量密度。
[0036] 图26A和图26B示出了具有3iim石英作为ULTEM1000中的填料的纳米复合物的 DK和DF。
[0037] 图27A和图27B示出了具有3iim石英作为ULTEM1000中的填料的纳米复合物的 介电击穿强度和韦伯概率曲线（weibullprobabilityplot)。
[0038] 图28示出了ULTEM1000的韦伯概率曲线。
[0039] 图29A和图29B示出了在ULTEM1000中在不同湿度水平下具有气相二氧化硅的 (平均初级粒径12nm)纳米复合物的介电击穿强度、DK和DF。
[0040] 图30A和图30B示出了纳米复合物膜。图30A示出了由胶体二氧化硅和ULTEM 1000制备的纳米复合物膜。图30B示出了由3微米（i!m)石英和ULTEM1000制备的纳米 复合物膜。
[0041] 图31A和图31B示出了具有胶体二氧化硅作为ULTEM1000中的填料的纳米复合 如的DK、DF和介电击穿强度。
[0042] 图32A至图32D示出了具有二氧化硅作为ULTEM1000中的填料的纳米复合物的 DK、DF、能量密度和介电击穿强度。
[0043] 图33A至图33D示出了具