一种高效率耐高温氮化铝/聚合物复合材料及其制备方法与流程

本发明属于电子材料制备技术领域，具体涉及一种高储能密度高效率的耐高温氮化铝/聚合物复合材料及其制备方法。

背景技术：

随着微电子集成技术的高速发展，在电子和微电子领域，尺寸微小但功能尚在的元件可以使设备小型化，降低成本，提高电子产品电气性能。在此类元件中，电容器得到广泛关注，它可以起到退耦、旁路、滤波等功能。聚合物薄膜电容器由于无极性，绝缘阻抗高，频率特性优异等优点而被大量使用，主要应用在家电、通讯、混合动力汽车、航空航天等多个领域。

电容器材料要求具有高介电常数、高电场强度、高储能密度、高效率等优异性能。聚合物材料质轻、价廉、易加工、机械性能优良、击穿强度高，但介电常数普遍不高。一般单一材料难以获得各方面均优异的性能，需要进行无机粒子复合改性。复合改性使得材料能量密度得到显著提高。

但是，这些材料在高温下的电容存储性能表现了很大的缺陷，如能量密度下降，效率降低，这种缺陷通常出现在各种能源应用中，如混合动力汽车和航空电力电子。例如，在混合动力电动汽车工作条件为70℃时，p(vdf-trfe-cfe)的充放电效率仅为21％，低效率不仅导致能量密度大幅降低(仅为1j/cm³)，而且会产生大量热量，由此带来的散热困难严重影响到器件精度和寿命。因此研究和制备具有耐高温和电绝缘性能好的高分子材料，并开发高充放电效率和高能量密度的高温聚合物基复合介电材料具有重要意义。

技术实现要素：

本发明的第一个目的在于克服现有技术中介电材料难以在70℃环境下工作的缺陷，提供一种高储能密度高效率的耐高温氮化铝/聚合物复合材料。

本发明一种耐高温氮化铝/聚合物复合材料，包括氮化铝和基体聚合物。氮化铝作为填料粒子分散在基体聚合物中。氮化铝的质量分数为1～50％。

作为优选，该耐高温氮化铝/聚合物复合材料为流延法制得的薄膜。薄膜厚度为10～100微米。

作为优选，所述的氮化铝经过表面处理。所述氮化铝的颗粒尺寸为20～900纳米。

作为优选，所述的基体聚合物采用pmma或pmma基的一类线性材料。

本发明的第二个目的在于为前述复合材料提供制备方法。

该耐高温氮化铝/聚合物复合材料的制备方法如下：

步骤一、将基体聚合物溶于极性溶剂中，并搅拌溶解，得到聚合物基溶液。

步骤二、将氮化铝粉末添加到聚合物溶液中并进行搅拌和超声处理，得到悬浮液。将悬浮液涂覆到载玻片上，溶剂挥发后得到复合材料雏形。

步骤三、将步骤二所得的复合材料雏形加热后，进行淬火处理，得到复合材料薄膜。

作为优选，所述的氮化铝经过表面处理。表面处理的过程如下：将氮化铝在偶联剂中混合，在磁力搅拌器上水浴加热搅拌。得到的溶液进行离心，取其沉淀用蒸馏水和酒精多次洗涤离心；取沉淀干燥处理，得到表面处理后的氮化铝。

作为优选，所述的偶联剂采用盐酸多巴胺、硅烷偶联剂或钛酸四丁酯。

作为优选，步骤一中所述的极性溶剂采用dmf。步骤一中所得聚合物基溶液中基体聚合物的浓度为3～30g/l。

作为优选，步骤二中的溶剂挥发条件为：50℃～120℃下加热30～60min。步骤三中的加热条件为：干燥箱中150～250℃加热0.5～10h。步骤三中的淬火温度为0～-200℃，淬火时间5～60min。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明采用氮化铝作为添加粒子制备复合材料薄膜，氮化铝具有高导热率、耐高温、良好的高温-电绝缘及良好的介电性能，可以提高聚合物热导率及其他物理性能，保持良好的电绝缘性能，在室温90℃下，可以有效提高复合材料的电位移值和击穿场强值，从而有效的提高复合材料的耐高温性能、可释放能量密度和储能密度效率。这使得本发明能够使用在电动汽车动力装置中薄膜电容器中，在70℃的工作温度下长时间持续工作。

2、本发明在制备复合材料溶液过程中，经过多次搅拌和超声，提高了粒子在聚合物中的分散性，进一步减少粒子在聚合物中的团聚，使成膜质量得到提高。

3、本发明用盐酸多巴胺对氮化铝改性，使粒子更好的分散在聚合物中，提高了复合材料薄膜的击穿场强和有效储能密度。本发明制备的氮化铝/聚合物复合材料薄膜具有高击穿、高效率、耐高温的特性，制备工艺简单可靠，适合大规模的推广使用。

附图说明

图1为本发明制备的复合材料与纯聚合物材料的介电图；

图2为不同温度下本发明制备的复合材料与纯聚合物材料的击穿场强图；

图3为不同温度下本发明制备的复合材料与纯聚合物材料的电滞回线图；

图4为添加了本发明制备的复合材料与纯聚合物材料在室温下的可释放能量密度与效率图；

图5为室温下添加了本发明制备的复合材料与纯聚合物材料在90℃下的可释放能量密度与效率图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1

一种耐高温氮化铝/聚合物复合材料，基体材料采用pmma，填料粒子选择具有高导热率、耐高温的氮化铝，复合材料的组成通过改变填料粒子的添加量来调节。

该耐高温氮化铝/聚合物复合材料的制备方法如下：

步骤一、称取氮化铝加入到盐酸多巴胺溶液中，50℃水浴加热10h，得到混合溶液；将混合溶液装进离心管中，以5000r/min的转速离心30min，取出后倒掉上清液，用酒精冲洗离心三次；将沉淀转移到培养皿中，在70℃下干燥24小时，得到改性氮化铝。

氮化铝具有高导热率、耐高温、良好的高温-电绝缘性能。改性氮化铝的颗粒尺寸在20～900纳米之间，包含但不仅限于表面偶联剂处理的氮化铝。

步骤二、称取基体聚合物添加到dmf(n,n二甲基甲酰胺)溶剂中搅拌至聚合物完全溶解，得到聚合物基溶液。基体聚合物采用pmma(聚甲基丙烯酸甲酯)或以pmma作为基体的一类线性材料。以pmma作为基体的一类线性材料包括pmma/pema(聚甲基丙烯酸甲酯/聚甲基丙烯酸乙酯)、pmma/pc(聚甲基丙烯酸甲酯/聚碳酸酯)和pmma/pvdf(聚甲基丙烯酸甲酯/聚偏氟乙烯)。

步骤三、称取步骤一中所得的改性氮化铝加入到步骤二所得的聚合物基溶液中；先搅拌10～60min，再超声10～60min；搅拌和超声循环重复1～10次，形成均匀的悬浮液。将悬浮液均匀地涂覆在载玻片上，涂覆量1～20ml；将涂覆有溶液的载玻片在50℃～120℃下加热30～60min，使溶剂完全挥发，得到复合材料雏形。

步骤四、将步骤三中制备所得的复合材料雏形放入干燥箱中在150～250℃的环境下加热0.5～10h，使复合材料薄膜中的聚合物充分熔融，得到熔融复合材料。

步骤五、将步骤四中所得熔融复合材料在0～-200℃环境下进行淬火处理，淬火时间5～60min，获得淬火后的复合材料薄膜，膜厚10～100微米。复合材料薄膜中氮化铝的质量分数为10％。

本实施例所得的复合材料薄膜的介电常数值随工作频率的变化曲线图如图1所示，在各个工作频率下，含有10wt％氮化铝的复合材料薄膜的介电常数均高于纯pmma聚合物，说明氮化铝的加入对聚合物的介电性能有所提升。

本实施例所得的复合材料薄膜的击穿场强数值如图2所示，在室温25℃下，含有10wt％氮化铝的复合材料薄膜的击穿场强达到了400mv/m，比纯聚合物pmma的击穿场强提高了33％左右，这说明该粒子的加入有效提高了介电材料的击穿场强值；在室温90℃下，含有10wt％氮化铝的复合材料薄膜的击穿场强基本保持不变，依旧保持着高击穿场强，这说明粒子的添加不仅提高了复合材料薄膜的击穿场强值，且提高了介电材料的耐高温性能。

本实施例所得的复合材料薄膜的电滞回线图如图3所示，从图中可看出，在室温25℃下，添加10wt％氮化铝的复合材料相比于pmma材料，电位移和剩余极化均在增加，含有10wt％氮化铝的复合材料的电位移值增加较多，剩余极化增加较少，从而有助于增加储能密度；在室温90℃下，含有10wt％氮化铝的复合材料电位移和剩余极化没有增减，这说明粒子的添加不仅有助于储能密度的提升，且提高了介电材料的耐高温性能。

实施例所得的复合材料在25℃下的储能密度如图4所示，含有10wt％氮化铝的复合材料的储能密度最高达到了5.4j/cm³，而纯pmma聚合物的储能密度最高仅为2j/cm³。含有10wt％氮化铝的复合材料的储能密度性能是纯pmma聚合物的2.7倍。含有10wt％氮化铝的复合材料的储能密度效率高达86％，添加粒子后依旧保持着高储能密度效率，这说明粒子的加入有效地提高了介电材料的储能密度和储能密度效率，增强了这类电介质材料的电性能。

本实施例所得的复合材料在90℃下的储能密度如图5所示，含有10wt％氮化铝的复合材料在90℃下储能密度与室温下的储能密度性能基本保持不变，依旧保持着高储能密度和高效率的优良特性，这说明粒子的加入提高了介电材料的耐高温性能。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于：复合材料薄膜中氮化铝的质量分数为4％，实施例所得的复合材料在25℃下储能密度最高2.3j/cm³，高于纯pmma聚合物的储能密度2j/cm³，低于实施例1中复合材料5.4j/cm³的储能密度。

实施例3

本实施例与实施例1的区别在于：复合材料薄膜中氮化铝的质量分数为8％，实施例所得复合材料在25℃下储能密度最高4.1j/cm³，高于纯pmma聚合物储能密度2j/cm³，低于实施例1中复合材料5.4j/cm³的储能密度。

实施例4

本实施例与实施例1的区别在于：复合材料薄膜中氮化铝的质量分数为12％，实施例所得复合材料在25℃下储能密度最高4j/cm³，高于纯pmma聚合物储能密度2j/cm³，低于实施例1中复合材料5.4j/cm³的储能密度。

从实施例1至4可以看出，选择氮化铝的质量分数为10％时，复合材料的储能密度明显高于其他氮化铝质量分数下复合材料；故质量分数10％在本发明有意想不到的显著优势。

实施例5

本实施例与实施例1的区别在于：将步骤一中的盐酸多巴胺溶液更换为硅烷偶联剂溶液或钛酸四丁酯溶液。