聚丙烯基复合金属化薄膜及其制备方法

1.本发明涉及金属化电容器膜的复合薄膜材料技术领域，尤其涉及聚丙烯基复合金属化薄膜及其制备方法。


背景技术：

2.金属化电容器膜是将双向拉伸后形成的薄膜进行真空蒸镀金属而成的，薄膜上纳米级别的金属镀层在薄膜绝缘失效时蒸发以隔离故障，这一过程称为自愈。但是薄膜在自愈时可能因为自愈能量过大将周围的几层薄膜同时击穿，加剧电容量的损失。
3.目前对于自愈性能的改善有设计内置金属熔丝与调控镀层方阻两种。通过内置熔丝的图案优化设计，可以将自愈范围限制在单个单元网格内，有效降低单次自愈的容量损失。调控镀层方阻的方法是基于自愈能量与方阻的负相关关系，高方阻金属化薄膜相对低方阻而言有更小的自愈能量，但是过高的方阻会增大元件的等效串联电阻，对于长期运行的电力电容器而言会提高电容器内部的温升。以上两种方式对于自愈能量的限制都十分有限，通过在金属化膜上涂覆氧化铝获得了具有隔离自愈能力的复合薄膜，但是该薄膜在涂覆后击穿强度有所下降，导致储能密度低于改性之前。
4.针对现有技术的以上缺陷或进的需求，本领域技术人员致力于开发同时具有高击穿场强与优良自愈性能、且储能密度优良的聚丙烯基复合金属化薄膜。
5.在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提聚丙烯基复合金属化薄膜及其制备方法，以提供同时具有高击穿场强与优良自愈性能、且储能密度的复合金属化薄膜。
7.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
8.本发明的聚丙烯基复合金属化薄膜的制备方法包括：
9.制备氮化硼溶液，氮化硼固体粉末和n，n-二甲基甲酰胺中按照预定质量体积比例混合形成氮化硼溶液；
10.金属化聚丙烯薄膜放在平板涂膜机的玻璃板上，蒸镀金属的一面朝下，非金属面朝上，涂覆刮刀上加入所述氮化硼溶液，在室温下进行涂覆多层生成聚丙烯基复合金属化薄膜。
11.所述的聚丙烯基复合金属化薄膜的制备方法中，预定质量体积比例为10g∶400ml。
12.所述的聚丙烯基复合金属化薄膜的制备方法中，聚丙烯为等规聚丙烯。
13.所述的聚丙烯基复合金属化薄膜的制备方法中，混合时的温度为60-70℃。
14.所述的聚丙烯基复合金属化薄膜的制备方法中，混合时搅拌速率为300r/min，持续时间为12h。
15.所述的聚丙烯基复合金属化薄膜的制备方法中，氮化硼层的厚度为1-4μm。
16.一种聚丙烯基复合金属化薄膜经由所述的聚丙烯基复合金属化薄膜的制备方法制备。
17.在上述技术方案中，本发明提供的一种聚丙烯基复合金属化薄膜的制备方法及复合聚丙烯材料，具有以下有益效果：本发明所述的一种聚丙烯基复合金属化薄膜的制备方法利用氮化硼宽禁带、高导热的特性，提出将氮化硼涂覆于金属化膜之上，利用高禁带宽度提升击穿场强，利用高导热特性促进自愈等离子体熄弧，合成具有高击穿场强与优良自愈性能、且储能密度的复合薄膜材料。
附图说明
18.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1为本发明中聚丙烯基复合金属化薄膜的制备方法的步骤示意图；
20.图2为本发明中聚丙烯基复合金属化薄膜的制备方法的氮化硼层的厚度与自愈能量范围的关系示意图；
21.图3为本发明中聚丙烯基复合金属化薄膜的制备方法的氮化硼层的厚度与击穿场强的关系示意图；
22.图4为本发明中聚丙烯基复合金属化薄膜的制备方法的测试结果示意图。
具体实施方式
23.为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
24.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
25.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
26.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
27.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，
除非另有明确具体的限定。
28.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
29.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
30.为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图1至图4对本发明作进一步的详细介绍。如图1所示，聚丙烯基复合金属化薄膜的制备方法包括，
31.制备氮化硼溶液，氮化硼固体粉末和n，n-二甲基甲酰胺中按照预定质量体积比例混合形成氮化硼溶液；
32.金属化聚丙烯薄膜放在平板涂膜机的玻璃板上，蒸镀金属的一面朝下，非金属面朝上，涂覆刮刀上加入所述氮化硼溶液，在室温下进行涂覆多层生成聚丙烯基复合金属化薄膜。
33.所述的聚丙烯基复合金属化薄膜的制备方法的优选实施方式中，预定质量体积比例为10g∶400ml。
34.所述的聚丙烯基复合金属化薄膜的制备方法的优选实施方式中，聚丙烯为等规聚丙烯。
35.所述的聚丙烯基复合金属化薄膜的制备方法的优选实施方式中，混合时的温度为60-70℃。
36.所述的聚丙烯基复合金属化薄膜的制备方法的优选实施方式中，混合时搅拌速率为300r/min，持续时间为12h。
37.在一个实施例，聚丙烯基复合金属化薄膜兼具有高击穿场强与优良自愈性能的聚丙烯-氮化硼复合金属化薄膜，所述材料为将氮化硼溶液在金属化聚丙烯薄膜上刮涂制得。
38.在一个实施例，制备方法包括，
39.第一步：氮化硼溶液的制备
40.将氮化硼固体粉末加入三口烧瓶中，随后加入n，n-二甲基甲酰胺(dmf)作为溶剂。固体粉末与溶剂的比例为：10g氮化硼粉末；400mldmf液体，温度设定为60-70℃，搅拌速率为300r/min，时间为12h。
41.第二步：复合介质材料制备
42.将金属化聚丙烯薄膜放在平板涂膜机的玻璃板上，蒸镀金属的一面朝下，非金属面朝上。涂覆刮刀上加入50-100ml氮化硼溶液，刮刀前进速度设置为0.012～0.015m/s，在室温下进行涂覆多层复合。
43.在一个实施例中，将溶解于极性溶剂的氮化硼溶液按照一定厚度比例涂覆于金属
化聚丙烯薄膜的非金属面。
44.在一个实施例中，所用聚丙烯薄膜的厚度为2μm，氮化硼层的厚度为1-4μm。本发明获得的复合薄膜中引入的氮化硼功能层可以有效促进自愈过程中放电等离子体的熄，降低自愈过程的容量损失；同时提升薄膜的击穿场强进而提升储能密度。该技术为金属化薄膜电容器自愈性能与击穿性能的提升提供了技术基础。优先地，图2给出了不涂覆、1μm、2μm、4μm涂覆的薄膜的击穿场强，以说明2μm涂覆层为优选值。如图2所示的不涂覆、1μm、2μm、4μm涂覆的薄膜的自愈能量，这表明bn层有降低自愈能量的功能，同时2μm厚度具有最小的自愈能量范围，同时其自愈能量值也很小，这有利于降低自愈式电容器发生自愈时的自愈损失。如图3所示，给出了不涂覆、1μm、2μm、4μm涂覆的薄膜的击穿场强，以说明2μm涂覆层为最优值。
45.一种聚丙烯基复合金属化薄膜经由所述的聚丙烯基复合金属化薄膜的制备方法制备。
46.将未用本方法进行涂覆的薄膜作为参照组，命名为bopp，将涂覆有bn粒子的bopp作为试验组，命名为bopp-bn。首先对薄膜进行介电强度测试，利用板-板电极对薄施加直流电压，在薄膜下方放置多层金属化膜以模拟实际运行工况。手动慢速升压至样品自愈，记录自愈时的击穿电压。将击穿电压用weibull分布进行统计，取击穿概率为63.2％的击穿场强作为薄膜的特征击穿场强，同时通过监测回路中的电流与电压信号，获得描述自愈性能优劣的参数自愈能量。测试结果如图4所示，由图可知，当涂覆bn后介质击穿场强从570kv/mm提升至650.1kv/mm，提升效果十分显著。同时，在复合薄膜的击穿过程中，所有试验均未出现自愈失败引起电源短路跳闸的情况，统计引发层间击穿的层数发现，bopp样品在自愈时引发5-7层薄膜同时击穿，而bopp-bn样品在自愈时只引发3-5层薄膜同时击穿，这表明通过bn层的引入实现了隔离自愈，降低了失效层数，可以有效延长薄膜的寿命。通过对自愈能量进行统计，bopp的自愈能量变化范围在78.9mj-189.2mj，而bopp-bn样品的自愈能量集中在65.2-132.5mj，表明自愈能量被严格限制，这与引发bopp-bn引发周围层击穿层数较少有直接关联。
47.在电力电容器领域涂覆高导热高禁带宽度的材料以完善自愈性能是本发明的贡献之一。如果直接将pp与bn直接共混增强材料的导热系数，虽然能够提高导热系数，但是bn掺杂会导致整体的直流电阻率下降。当10wt％bn时，pp的体电阻率将从10e17ωcm下降至10e15ωcm，下降了两个数量级，这对在交直流稳定工况下运行的电容器来说势必会增加额外的损耗，导致装置温升上升，对于装置的破坏是灾难性的。如果采用其他导热填料如三氧化二铝等，虽然可以实现隔离自愈，但是击穿场强却有所下降，涂覆前从590kv/mm下降到520kv/mm。同样不利于储能密度的提高。选择氮化硼作为涂料，可以同时提升薄膜的击穿场强与自愈性能。
48.最后应该说明的是：所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本技术中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本技术保护的范围。
49.以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明
权利要求保护范围的限制。