一种具有高击穿强度的薄膜电容器及其制备方法和应用与流程

本发明属于电路元件制备，具体涉及一种具有高击穿强度的薄膜电容器及其制备方法和应用。

背景技术：

1、电容器作为电路中最基本的电路元件之一，长久以来一直是电器领域科学家们研究的重点。近年来，随着电子技术与电气行业的飞速发展，人们对电容器的可靠性，绝缘性能等提出了越来越高的要求，性能更加优越的电容器的研究迫在眉睫。

2、根据极板间电介质的不同，电容器可以分为有机聚合物电容器、无机介质电容器、电解电容器等三类。其中，有机聚合物为介质材料的电容器—聚合物薄膜电容器，是用金属薄膜作为电极，与聚丙烯，聚碳酸酯，聚酰亚胺等聚合物薄膜从两端重叠后卷绕而成的一种电容器结构。聚合物薄膜电容器具有重量轻，成本低，可靠性更高，无极性，绝缘阻抗高，损耗低等优点，目前已在电动汽车、航天航空、风电、光伏、照明和铁路机车等行业中广泛应用。在光伏发电、风力发电、车辆制动控制系统、航天航空、电动汽车逆变系统中，聚合物薄膜电容器是最重要的部件之一。

3、pvdf是由偏二氟乙烯的气态单体聚合而成的链状高分子聚合物。常见的pvdf二元共聚物有p(vdf-trfe)、p(vdf-tfe)、p(vdf-ctfe)和p(vdf-hfp)等。与pvdf相比，这些二元共聚物具有更好的介电常数，例如，p(vdf-ctfe)的介电常数为10～12，p(vdf-hfp)的介电常数为10～14，p(vdf-btfe)介电常数为13。通过溶液铸膜或熔融共挤等制备工艺可以得到这些二元共聚物的薄膜材料。与pvdf聚合物约350mv/m的击穿场强相比，这些二元无规共聚物拥有400mv/m的击穿场强。现有技术虽然可以进一步提高击穿场强，但是会使电滞损耗增加40％，不适合用于聚合物薄膜电容器。因此，在不提高电滞损耗的基础上如何提高聚合物薄膜电容器的击穿场强成为难点之一。

技术实现思路

1、因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中在不提高电滞损耗的基础上如何提高聚合物薄膜电容器的击穿强度等缺陷，从而提供了一种具有高击穿强度的薄膜电容器及其制备方法和应用。

2、为此，本发明提供了以下技术方案。

3、本发明提供了一种具有高击穿强度的薄膜电容器，包括聚合物电介质和掺杂在聚合物中的纳米片；所述纳米片在薄膜电容器中沿水平方向取向。

4、所述纳米片在薄膜电容器中沿水平方向取向，与水平之间的夹角不高于10°。

5、所述纳米片为氮化硼纳米片、氧化铝纳米片、氧化镁纳米片、氧化钼纳米片和氧化硅纳米片中的至少一种；

6、优选地，所述纳米片为氮化硼纳米片；

7、优选地，所述纳米片的参数：横向尺寸0.5-5μm，厚度小于10nm。

8、进一步地，以体积分数为单位，所述薄膜电容器中纳米片的掺杂量不高于15％；

9、优选地，以体积分数为单位，所述薄膜电容器中纳米片的掺杂量为4.5-7.5％；

10、优选地，以体积分数为单位，所述薄膜电容器中纳米片的掺杂量为6％。其中，掺杂量是指纳米片占纳米片和聚合物电介质总体积的百分数。

11、所述聚合物电介质为含偏氟乙烯的均聚物和/或共聚物；

12、优选地，所述聚合物电介质包括pvdf、p(vdf-trfe)、p(vdf-tfe)、p(vdf-ctfe)、p(vdf-hfp)、p(vdf-trfe-cfe)和p(vdf-trfe-ctfe)中的至少一种。

13、本发明还提供了一种具有高击穿强度的薄膜电容器的制备方法，包括：使纳米片在薄膜电容器中沿水平方向取向。

14、进一步地，采用拉伸、电场诱导或旋涂的方法，使纳米片在薄膜电容器中沿水平方向取向；

15、优选地，取向后的纳米片与水平之间的夹角不高于10°；

16、优选地，在使纳米片在薄膜电容器中沿水平方向取向的过程中还包括加热的步骤；

17、优选地，所述加热的温度低于聚合物电介质的熔点；

18、优选地，所述加热的温度与所述薄膜电容器中聚合物电介质熔点的差值为5-10℃。

19、所述制备方法包括以下步骤：

20、(1)制备含聚合物电介质的溶液；

21、(2)将纳米片与步骤(1)得到的溶液混合，使纳米片在溶液中均匀分散；

22、(3)制备掺杂有纳米片的聚合物薄膜电容器；

23、(4)使纳米片在薄膜电容器中沿水平方向取向，使取向后的纳米片与水平之间的夹角不高于10°。

24、所述步骤(3)，采用流延法制备掺杂有纳米片的聚合物薄膜电容器；

25、优选地，在制备所述薄膜电容器时，采用的溶剂为n,n-二甲基甲酰胺、n-甲基吡咯烷酮和甲苯中的至少一种。

26、进一步地，当薄膜电容器中的聚合物电介质为p(vdf-hfp)时，步骤(3)在制备掺杂有纳米片的聚合物薄膜电容器时，干燥过程包括：流延膜在40℃的自然对流烘箱中干燥6h，随后置于40℃的真空烘箱中继续干燥12h。取出后，将其置于200℃的自然对流烘箱中处理5min，干燥结束后立即放入冰水中，从玻璃板上剥离薄膜，再在40℃的真空烘箱中干燥过夜，得到薄膜电容器。

27、当薄膜电容器中的聚合物电介质为p(vdf-trfe-cfe)时，步骤(3)在制备掺杂有纳米片的聚合物薄膜电容器时，干燥过程包括：流延膜在80℃的自然对流烘箱中干燥12h，然后从玻璃板上剥离薄膜。为了除去残余溶剂，将其置于110℃的真空烘箱中过夜以彻底去除杂质。

28、此外，本发明还提供了一种上述薄膜电容器或上述制备方法制得的薄膜电容器在光伏发电、风力发电、车辆制动控制系统、航天航空或电动汽车中的应用。

29、本发明技术方案，具有如下优点：

30、1.本发明提供的具有高击穿强度的薄膜电容器，包括聚合物电介质和掺杂在聚合物电介质中的纳米片；所述纳米片在薄膜电容器中沿水平方向取向；本发明提供的薄膜电容器具有十分优异的击穿强度。本发明提供的掺杂有纳米片的聚合物薄膜电容器，纳米片在薄膜电容器中沿水平方向取向，垂直于施加外电场的方向，可以有效阻碍沿外电场方向的导电通道，从而提高薄膜电容器击穿强度。

31、2.本发明提供的具有高击穿强度的薄膜电容器，本发明以氮化硼、氧化铝、氧化镁、氧化钼、氧化硅等具有高绝缘强度的纳米片对聚合物电介质进行掺杂，使这些高绝缘的纳米片在聚合物薄膜电容器中沿水平方向取向，可以显著提高薄膜电容器的击穿强度。通过控制薄膜电容器中纳米片的掺杂浓度，可以优化薄膜电容器的击穿强度，尤其是当纳米片掺杂浓度为6％时，薄膜电容器的击穿强度最优，约为652mv/m，提升了45％。

32、3.本发明提供的具有高击穿强度的薄膜电容器的制备方法，使纳米片在薄膜电容器中趋向于沿水平方向取向，可以提高薄膜电容器的击穿强度。

技术特征：

1.一种具有高击穿强度的薄膜电容器，其特征在于，包括聚合物电介质和掺杂在聚合物电介质中的纳米片；所述纳米片在薄膜电容器中沿水平方向取向。

2.根据权利要求1所述的薄膜电容器，其特征在于，所述纳米片在薄膜电容器中沿水平方向取向，与水平之间的夹角不高于10°。

3.根据权利要求1或2所述的薄膜电容器，其特征在于，所述纳米片为氮化硼纳米片、氧化铝纳米片、氧化镁纳米片、氧化钼纳米片和氧化硅纳米片中的至少一种；

4.根据权利要求1或2所述的薄膜电容器，其特征在于，以体积分数为单位，所述薄膜电容器中纳米片的掺杂量不高于15％。

5.根据权利要求1或2所述的薄膜电容器，其特征在于，所述聚合物电介质为含偏氟乙烯的均聚物和/或共聚物。

6.一种具有高击穿强度的薄膜电容器的制备方法，其特征在于，包括：使纳米片在薄膜电容器中沿水平方向取向。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，采用拉伸、电场诱导或旋涂的方法，使纳米片在薄膜电容器中沿水平方向取向；

8.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)，采用流延法制备掺杂有纳米片的聚合物薄膜电容器；

10.权利要求1-5任一项所述的薄膜电容器或权利要求6-9任一项所述制备方法制得的薄膜电容器在光伏发电、风力发电、车辆制动控制系统、航天航空或电动汽车中的应用。

技术总结
本发明属于电路元件制备技术领域，具体涉及一种具有高击穿强度的薄膜电容器及其制备方法和应用。该薄膜电容器包括聚合物电介质和掺杂在聚合物电介质中的纳米片；所述纳米片在薄膜电容器中沿水平方向取向。本发明提供的薄膜电容器具有十分优异的击穿强度。本发明提供的掺杂有纳米片的聚合物薄膜电容器，纳米片在薄膜电容器中沿水平方向取向，垂直于施加外电场的方向，可以有效阻碍沿外电场方向的导电通道，从而提高薄膜电容器击穿强度。

技术研发人员：李雨抒,邓友汉,陈圣哲,余意,宋子达,陈静
受保护的技术使用者：中国长江三峡集团有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/5