一种三层结构的聚合物基介电储能纳米复合材料及其制备方法与流程

本发明涉及电子复合材料及储能材料制备技术领域，特别是涉及一种三层结构的聚合物基介电储能纳米复合材料及其制备方法。

背景技术：

随着电子工业的飞速发展，使得在先进电子设备、混合电动车和电力系统中应用的电容器必须具备介电损耗低、小型化、充放电速度快、储能密度高和热稳定性好等优点。目前所采用的表面贴装电容器基本上都是多层陶瓷电容器(MLCC)，虽然陶瓷电容器材料具有极高的介电常数，但是其烧结温度高，能耗大，柔韧性差，同时陶瓷材料与有机物之间相容性较差，这些都决定了陶瓷电容器不适于作为嵌入式电容器的介质材料使用。聚合物薄膜虽然在室温下有着超低的介电损耗和高的击穿场强，但是其本征相对介电常数很小，使得材料所能达到的储能密度也较低。因此，优良介电性能的陶瓷-聚合物复合材料的研制成为一种主要的解决途径。

聚酰亚胺(PI)是一种高性能的聚合物，具有良好的机械性能、化学稳定性、热稳定性，低的介电损耗和高的击穿强度和储能效率等，是较为理想的聚合物基体材料。经对现有技术的文献检索发现：Rajib等(Rajib M，Martinez R，et al.[J].Int.J.Appl.Ceram.Technol，2016，13:125-132)通过结合BaTiO₃纳米颗粒相对高的介电常数和聚酰亚胺高的击穿强度来增强介质电容器的储能密度。Wu等(Wu Y.H，Zha J.W，et al.[J].J.Mater.Sci:Mater.Electron，2014，25:2939-2942)通过静电纺丝溶胶-凝胶前驱体来制备BaTiO₃纤维。然后通过原位聚合的方法，制备BaTiO₃/PI纳米复合材料来提高聚合物基体的储能密度。虽然高介电常数的无机陶瓷颗粒的掺杂能够提高聚合物基体的介电常数，但是往往伴随着击穿场强的下降和损耗角正切值的增加。因此，提高储能密度的同时，还能够让损耗角正切值保持在一个较低的水平，是目前聚合物基储能材料研究面临的主要问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提高聚合物基体介电常数的同时保持高的击穿场强和低的介电损耗，而提供一种三层结构的聚合物基介电储能纳米复合材料及其制备方法。

本发明一种三层结构的聚合物基介电储能纳米复合材料由两层KTN/聚合物复合薄膜和一层高分子聚合物薄膜组成；所述高分子聚合物薄膜设置在两层KTN/聚合物复合薄膜中间。

一种三层结构的聚合物基介电储能纳米复合材料的制备方法具体是按以下步骤进行：

一、制备KTN/聚合物混合溶液：按体积比为1:(11.5～49)称量聚合物Ⅰ和KTN纳米颗粒；将KTN纳米颗粒加入到有机溶剂中，超声分散1h，得到分散液；然后分5次将聚合物加入到分散液中并快速搅拌，得到KTN/聚合物混合溶液，在真空环境下静置2h，得到静置后的KTN/聚合物混合溶液；

二、制备聚合物溶液：将聚合物Ⅱ配置成聚合物溶液，在真空环境下静置2h，得到静置后的聚合物溶液；

三、涂膜：采用涂膜器将静置后的聚合物溶液和静置后的KTN/聚合物混合溶液按照B-A-B的顺序涂覆在玻璃板上，得到覆有三层薄膜的玻璃板；所述A为静置后的聚合物溶液，B为静置后的KTN/聚合物混合溶液；每涂覆一层之后要将玻璃板置于鼓风干燥箱中干燥；

四、成膜：涂膜完成后将溶剂挥发完全后成膜；然后冷却至室温，在冷水中浸泡24h，将三层结构的聚合物基介电储能纳米复合材料从玻璃板上取下。

本发明的有益效果：

三层结构KTN/PI复合薄膜具有更低的介电损耗，这对于三层结构的薄膜在电子器件中的应用有更具优势。在掺杂无机纳米颗粒后，能有效地改善击穿场强快速下降的问题。

附图说明

图1为三层结构的聚合物基介电储能纳米复合材料的结构示意图；其中1为KTN/聚合物复合薄膜，2为高分子聚合物薄膜；

图2为对比组相对介电常数的频谱图；其中1为纯PI薄膜，2为KTN纳米颗粒体积百分含量为2％的单层的KTN/聚合物复合薄膜，3为KTN纳米颗粒体积百分含量为4％的单层的KTN/聚合物复合薄膜，4为KTN纳米颗粒体积百分含量为6％的单层的KTN/聚合物复合薄膜，5为KTN纳米颗粒体积百分含量为8％的单层的KTN/聚合物复合薄膜；

图3为实施例组相对介电常数的频谱图；其中1为实施例一得到的单层KTN/聚合物复合薄膜中KTN纳米颗粒的体积百分含量为2％的三层结构的聚合物基介电储能纳米复合材料，2为实施例一得到的单层KTN/聚合物复合薄膜中KTN纳米颗粒的体积百分含量为4％的三层结构的聚合物基介电储能纳米复合材料，3为实施例一得到的单层KTN/聚合物复合薄膜中KTN纳米颗粒的体积百分含量为6％的三层结构的聚合物基介电储能纳米复合材料，4为实施例一得到的单层KTN/聚合物复合薄膜中KTN纳米颗粒的体积百分含量为8％的三层结构的聚合物基介电储能纳米复合材料；

图4为对比组介电损耗的频谱图；其中1为纯PI薄膜，2为KTN纳米颗粒体积百分含量为2％的单层的KTN/聚合物复合薄膜，3为KTN纳米颗粒体积百分含量为4％的单层的KTN/聚合物复合薄膜，4为KTN纳米颗粒体积百分含量为6％的单层的KTN/聚合物复合薄膜，5为KTN纳米颗粒体积百分含量为8％的单层的KTN/聚合物复合薄膜；

图5为实施例组介电损耗的频谱图；其中1为实施例一得到的单层KTN/聚合物复合薄膜中KTN纳米颗粒的体积百分含量为2％的三层结构的聚合物基介电储能纳米复合材料，2为实施例一得到的单层KTN/聚合物复合薄膜中KTN纳米颗粒的体积百分含量为4％的三层结构的聚合物基介电储能纳米复合材料，3为实施例一得到的单层KTN/聚合物复合薄膜中KTN纳米颗粒的体积百分含量为6％的三层结构的聚合物基介电储能纳米复合材料，4为实施例一得到的单层KTN/聚合物复合薄膜中KTN纳米颗粒的体积百分含量为8％的三层结构的聚合物基介电储能纳米复合材料；

图6为单层的KTN/聚合物复合薄膜和三层结构的聚合物基介电储能纳米复合材料在不同KTN掺杂浓度下的击穿场强对比图；其中1为单层的KTN/聚合物复合薄膜，2为三层结构的聚合物基介电储能纳米复合材料；

图7为单层的KTN/聚合物复合薄膜和三层结构的聚合物基介电储能纳米复合材料在不同KTN掺杂浓度下的储能密度对比图；其中1为单层的KTN/聚合物复合薄膜，2为三层结构的聚合物基介电储能纳米复合材料。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的一种三层结构的聚合物基介电储能纳米复合材料由两层KTN/聚合物复合薄膜和一层高分子聚合物薄膜组成；所述高分子聚合物薄膜设置在两层KTN/聚合物复合薄膜中间。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述KTN/聚合物复合薄膜是由聚合物基体和均匀分散在所述聚合物基体中的KTN纳米颗粒组成；所述的KTN纳米颗粒的粒径为20～100nm。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述聚合物基体为聚偏氟乙烯、环氧树脂、聚偏氟-三氟乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二酯或聚酰亚胺。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述单层KTN/聚合物复合薄膜中KTN纳米颗粒的体积百分含量为0.1％～8％。其它与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述单层KTN/聚合物复合薄膜中KTN纳米颗粒的体积百分含量为4％。其它与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述三层结构的聚合物基介电储能纳米复合材料的厚度为30μm～60μm。其它与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述高分子聚合物薄膜为聚偏氟乙烯薄膜、环氧树脂薄膜、聚偏氟-三氟乙烯薄膜、聚丙烯薄膜、聚对苯二甲酸乙二酯薄膜或聚酰亚胺薄膜。其它与具体实施方式一至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式一种三层结构的聚合物基介电储能纳米复合材料的制备方法具体是按以下步骤进行：

一、制备KTN/聚合物混合溶液：按体积比为1:(11.5～49)称量KTN纳米颗粒和聚合物Ⅰ；将KTN纳米颗粒加入到有机溶剂中，超声分散1h，得到分散液；然后分5次将聚合物Ⅰ加入到分散液中并快速搅拌，得到KTN/聚合物混合溶液，在真空环境下静置2h，得到静置后的KTN/聚合物混合溶液；

二、制备聚合物溶液：将聚合物Ⅱ配置成聚合物溶液，在真空环境下静置2h，得到静置后的聚合物溶液；

三、涂膜：采用涂膜器将静置后的聚合物溶液和静置后的KTN/聚合物混合溶液按照B-A-B的顺序涂覆在玻璃板上，得到覆有三层薄膜的玻璃板；所述A为静置后的聚合物溶液，B为静置后的KTN/聚合物混合溶液；涂覆一层之后要将玻璃板置于鼓风干燥箱中干燥；

四、成膜：涂膜完成后将溶剂挥发完全后成膜；然后冷却至室温，在冷水中浸泡24h，将三层结构的聚合物基介电储能纳米复合材料从玻璃板上取下。

本实施方式步骤四在成膜之前，有些聚合物需要进行一定的化学反应才能成型，相应的增加不同的操作步骤以完成成型。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式八不同的是：所述聚合物I和聚合物Ⅱ分别为聚偏氟乙烯、环氧树脂、聚偏氟-三氟乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二酯或聚酰亚胺。其它与具体实施方式八相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式八或九不同的是：所述聚合物I和聚合物Ⅱ分别为聚偏氟乙烯、环氧树脂、聚偏氟-三氟乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二酯或聚酰亚胺。其它与具体实施方式八或九相同。

通过以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：一种三层结构的聚合物基介电储能纳米复合材料由两层KTN/聚合物复合薄膜和一层高分子聚合物薄膜组成；所述高分子聚合物薄膜设置在两层KTN/聚合物复合薄膜中间；所述KTN/聚合物复合薄膜是由聚合物基体和均匀分散在所述聚合物基体中的KTN纳米颗粒组成；所述的KTN纳米颗粒的粒径为20～100nm；所述聚合物基体为聚酰亚胺；所述单层KTN/聚合物复合薄膜中KTN纳米颗粒的体积百分含量为0.1％～8％；所述三层结构的聚合物基介电储能纳米复合材料的厚度为30μm～60μm。

上述三层结构的聚合物基介电储能纳米复合材料的制备方法具体是按以下步骤进行：

一、将4,4′-二氨基二苯醚超声分散在N,N-二甲基乙酰胺中，再分5次向N,N-二甲基乙酰胺中加入均苯四甲酸酐，得到聚酰胺酸溶液，将聚酰胺酸溶液在0.01MPa的真空环境下静置2h，得到静置后的聚酰胺酸溶液；所述4,4′-二氨基二苯醚与均苯四甲酸酐的质量比为1:(1.05～1.15)；所述N,N-二甲基乙酰胺占聚酰胺酸溶液质量的87％～91％；

二、将4,4′-二氨基二苯醚和KTN纳米颗粒超声分散在N,N-二甲基乙酰胺中，再分5次向N,N-二甲基乙酰胺中加入均苯四甲酸酐，得到KTN/聚酰胺酸溶液，将KTN/聚酰胺酸溶液在0.01MPa的真空环境下静置2h，得到静置后的KTN/聚酰胺酸溶液；所述4,4′-二氨基二苯醚与均苯四甲酸酐的质量比为1:(1.05～1.15)；所述N,N-二甲基乙酰胺占KTN/聚酰胺酸溶液质量的87％～91％；

三、涂膜：采用涂膜器将静置后的聚酰胺酸溶液和静置后的KTN/聚酰胺酸溶液按照B-A-B的顺序涂覆在玻璃板上，得到覆有三层薄膜的玻璃板；所述A为静置后的聚酰胺酸溶液，B为静置后的KTN/聚酰胺酸溶液；涂覆一层之后要将玻璃板置于温度为80～100℃的鼓风干燥箱中干燥5min～10min；所述A层的厚度为10μm～20μm，所述B层的厚度为10μm～20μm；

四、亚胺化：覆有三层薄膜的玻璃板放入烘箱中，将烘箱中的温度从室温升温至80℃，并在温度为80℃的条件下保持1h，再将温度由80℃升温至100℃，并在温度为100℃的条件下保持1h，然后将温度由100℃升温至200℃，在温度为200℃的条件下保持1h，再将温度由200℃升温至300℃，在温度为300℃的条件下保持1h，然后冷却至室温，在冷水中浸泡24h，将三层结构的聚合物基介电储能纳米复合材料从玻璃板上取下；其中单层KTN/聚合物复合薄膜中KTN纳米颗粒的体积百分含量为0.1％～8％。

为了比较不同掺杂浓度下单层结构的复合膜和三层结构的复合膜的介电性能，申请人将纯PI薄膜、KTN纳米颗粒体积百分含量为2％的单层的KTN/聚合物复合薄膜、KTN纳米颗粒体积百分含量为4％的单层的KTN/聚合物复合薄膜、KTN纳米颗粒体积百分含量为6％的单层的KTN/聚合物复合薄膜和KTN纳米颗粒体积百分含量为8％的单层的KTN/聚合物复合薄膜作为对比组的五个试样；将实施例一得到的三层结构的聚合物基介电储能纳米复合材料作为实施例组，将实施例一得到的单层KTN/聚合物复合薄膜中KTN纳米颗粒的体积百分含量为2％的三层结构的聚合物基介电储能纳米复合材料、实施例一得到的单层KTN/聚合物复合薄膜中KTN纳米颗粒的体积百分含量为4％的三层结构的聚合物基介电储能纳米复合材料、实施例一得到的单层KTN/聚合物复合薄膜中KTN纳米颗粒的体积百分含量为6％的三层结构的聚合物基介电储能纳米复合材料和实施例一得到的单层KTN/聚合物复合薄膜中KTN纳米颗粒的体积百分含量为8％的三层结构的聚合物基介电储能纳米复合材料作为四组试样；分别对对比组和实施例组的进行相对介电常数和介电损耗的检测，得到图2、图3、图4和图5；图2为对比组相对介电常数的频谱图；图3为实施例组相对介电常数的频谱图；图4为对比组介电损耗的频谱图；图5为实施例组介电损耗的频谱图；从图2～图5可以看出，在40Hz的频率下，KTN纳米颗粒体积百分含量为8％的单层的KTN/聚合物复合薄膜和实施例一得到的单层KTN/聚合物复合薄膜中KTN纳米颗粒的体积百分含量为8％的三层结构的聚合物基介电储能纳米复合材料的介电常数分别为8.03和7.14，都远大于纯PI膜的3.56；它们的介电损耗分别为0.024和0.015，其中三层结构的聚合物基介电储能纳米复合材料接近于纯PI膜的0.011。KTN纳米颗粒的掺杂能够使复合薄膜有效地提高介电常数，但是其中三层结构的聚合物基介电储能纳米复合材料具有更低的介电损耗，这对于三层结构的聚合物基介电储能纳米复合材料在电子器件中的应用有更具优势。

图6为单层的KTN/聚合物复合薄膜和三层结构的聚合物基介电储能纳米复合材料在不同KTN掺杂浓度下的击穿场强对比图；从图中可以看出随着KTN纳米颗粒体积分数增大，单层的KTN/聚合物复合薄膜的击穿场强呈现更大的下降趋势，而三层结构的聚合物基介电储能纳米复合材料的击穿场强却能平稳下降。当KTN纳米颗粒的体积分数为8％时，单层的KTN/聚合物复合薄膜的击穿场强只有181kV/mm，而三层结构的聚合物基介电储能纳米复合材料的击穿场强还能高达257kV/mm。因此，三层结构复合薄膜在掺杂无机纳米颗粒后，能有效地改善击穿场强快速下降的问题。

图7为单层的KTN/聚合物复合薄膜和三层结构的聚合物基介电储能纳米复合材料在不同KTN掺杂浓度下的储能密度对比图；从图中可以看出随着KTN纳米颗粒体积分数增大，单层的KTN/聚合物复合薄膜和三层结构的聚合物基介电储能纳米复合材料的储能密度都呈现先增加后减小的趋势，但是单层的KTN/聚合物复合薄膜储能密度都小于三层结构的聚合物基介电储能纳米复合材料的储能密度。在体积分数为4％的三层结构的聚合物基介电储能纳米复合材料中，其储能密度出现最大值，为2.33，综合考虑，体积分数为4％三层结构的聚合物基介电储能纳米复合材料在储能应用方面更具优势。