含有负介电层的三明治结构复合材料及其制备方法与应用

本发明聚合物基电容器，涉及复合材料的制备，涉及含有负介电层的三明治结构复合材料及其制备方法与应用。

背景技术：

1、公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

2、聚合物基电容器因具有高功率密度、长循环寿命和安全性高等优点，限制聚合物基电容器应用的难题是储能密度较低，同时介电损耗较大。据发明人了解，目前为了上述问题，通过设计三明治结构复合材料，使各层材料在性能上互相取长补短，利用协同效应使储能密度的显著提升，同时介电损耗保持在较低水平，从而可以满足各种不同的性能要求。然而，发明人研究发现，目前三层结构介电复合材料皆为将不同性能的正介电材料叠加而成，其能量密度还远远不够，损耗依旧较大，极大地限制了其实际应用。

技术实现思路

1、为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供含有负介电层的三明治结构复合材料及其制备方法与应用，本发明提供的含有负介电层的三明治结构复合材料，能够在保持高能量密度的同时保持低介电损耗。

2、为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

3、一方面，一种含有负介电层的三明治结构复合材料，三明治结构为紧密贴合的三层层状结构，依次由第一正介电层、中间负介电层和第二正介电层构成，第一正介电层和第二正介电层的材质为聚偏氟乙烯和氮化硼的复合材料，中间负介电层为聚偏氟乙烯和多壁碳纳米管的复合材料，聚偏氟乙烯和氮化硼的复合材料中氮化硼的含量为5～25wt％，聚偏氟乙烯和多壁碳纳米管的复合材料中多壁碳纳米管的含量为2～40wt％。

4、本发明将具有负介电常数的负介电层引入三层结构材料中制备出“正-负-正”三明治结构复合材料，通过“正-负”介电协同作用以及强极化作用，使三明治结构复合材料在保持高能量密度的同时保持低介电损耗。

5、另一方面，一种上述含有负介电层的三明治结构复合材料的制备方法，将聚偏氟乙烯和氮化硼的复合材料进行第一冷压成型制成第一正介电层，在第一正介电层的表面铺设聚偏氟乙烯和多壁碳纳米管的复合材料，进行第二冷压成型获得含有中间负介电层的双层复合材料，在双层复合材料的中间负介电层表面铺设聚偏氟乙烯和氮化硼的复合材料，进行热压成型，即得。

6、第三方面，一种上述含有负介电层的三明治结构复合材料在聚合物基电容器中的应用。

7、本发明的有益效果为：

8、1.本发明将单层负介电复合材料引入复合材料中构筑“正-负-正”三明治结构复合材料，利用层层热压成型法制备而成。通过调节正介电层和负介电层之间的介电常数值以及厚度比，利用正、负介电层之间的正负介电协同效应，层与层之间的宏观界面极化以及层内的微观界面极化作用，实现高能量密度性能的提升同时保持低介电损耗。

9、2.经过实验表明，本发明利用热压成型法成功制备出“正-负-正”三明治结构介电复合材料，该三明治结构复合材料的放电能量密度高达22.3j/cm3，同时还能保持0.02(10khz)的低介电损耗。

10、3.经过实验表明，本发明利用热压成型法成功制备出“正-负-正”三明治结构介电复合材料，介电常数高达432(10khz)，相对于单层材料介电常数提高了2700％，损耗因子也能够保持在0.06的较低水平。

技术特征：

1.一种含有负介电层的三明治结构复合材料，其特征是，三明治结构为紧密贴合的三层层状结构，依次由第一正介电层、中间负介电层和第二正介电层构成，第一正介电层和第二正介电层的材质为聚偏氟乙烯和氮化硼的复合材料，中间负介电层为聚偏氟乙烯和多壁碳纳米管的复合材料，聚偏氟乙烯和氮化硼的复合材料中氮化硼的含量为5～25wt％，聚偏氟乙烯和多壁碳纳米管的复合材料中多壁碳纳米管的含量为2～40wt％。

2.如权利要求1所述的含有负介电层的三明治结构复合材料，其特征是，聚偏氟乙烯和氮化硼的复合材料中氮化硼的含量为10～20wt％，优选为14～17wt％。

3.如权利要求1所述的含有负介电层的三明治结构复合材料，其特征是，聚偏氟乙烯和多壁碳纳米管的复合材料中多壁碳纳米管的含量为30～40wt％，优选为35～40wt％。

4.如权利要求1所述的含有负介电层的三明治结构复合材料，其特征是，第一正介电层、中间负介电层和第二正介电层的相对厚度比为1:0.1～20:0.8～1.2；优选地，第一正介电层、中间负介电层和第二正介电层的相对厚度比为1:0.1～1.0:0.9～1.1，进一步优选为1:0.4～0.6:0.9～1.1；优选地，第一正介电层、中间负介电层和第二正介电层的相对厚度比为1:15～20:0.9～1.1，进一步优选为1:18～20:0.9～1.1。

5.如权利要求1所述的含有负介电层的三明治结构复合材料，其特征是，第一正介电层和第二正介电层的材质中氮化硼的含量相同。

6.一种权利要求1～5任一所述的含有负介电层的三明治结构复合材料的制备方法，其特征是，将聚偏氟乙烯和氮化硼的复合材料进行第一冷压成型制成第一正介电层，在第一正介电层的表面铺设聚偏氟乙烯和多壁碳纳米管的复合材料，进行第二冷压成型获得含有中间负介电层的双层复合材料，在双层复合材料的中间负介电层表面铺设聚偏氟乙烯和氮化硼的复合材料，进行热压成型，即得。

7.如权利要求6所述的含有负介电层的三明治结构复合材料的制备方法，其特征是，热压成型的工艺条件为：压强为15～25mpa，温度为150～170℃，时间为25～35min。

8.如权利要求6所述的含有负介电层的三明治结构复合材料的制备方法，其特征是，第一冷压成型的压强为1.5～2.5mpa，时间为1～3min。

9.如权利要求6所述的含有负介电层的三明治结构复合材料的制备方法，其特征是，第二冷压成型的压强为1.5～2.5mpa，时间为1～3min。

10.一种权利要求1～5任一所述的含有负介电层的三明治结构复合材料在聚合物基电容器中的应用。

技术总结
本发明聚合物基电容器技术领域，涉及复合材料的制备，涉及含有负介电层的三明治结构复合材料及其制备方法与应用。三明治结构为紧密贴合的三层层状结构，依次由第一正介电层、中间负介电层和第二正介电层构成，第一正介电层和第二正介电层的材质为聚偏氟乙烯和氮化硼的复合材料，中间负介电层为聚偏氟乙烯和多壁碳纳米管的复合材料，聚偏氟乙烯和氮化硼的复合材料中氮化硼的含量为5～25wt％，聚偏氟乙烯和多壁碳纳米管的复合材料中多壁碳纳米管的含量为2～40wt％。本发明提供的含有负介电层的三明治结构复合材料，能够在保持高能量密度的同时保持低介电损耗。

技术研发人员：刘峣,宋萧婷,张子栋,魏再新,范润华,王俊,解培涛
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14