一种三明治结构的高介电柔性复合薄膜及其制备方法与流程

文档序号：18229725发布日期：2019-07-20 01:07阅读：156来源：国知局

本发明涉及复合材料的制备技术领域，具体涉及一种三明治结构的高介电柔性复合薄膜及其制备方法。

背景技术：

随着电子元器件向大功率化、小型化、高频化方向发展，对电容器的介电性能提出了更高要求，传统的平行板电容器已经很难满足使用需求。目前，常见的电介质材料有陶瓷电介质和聚合物电介质两种。陶瓷电介质具有高的介电常数，然而其击穿场强较低，很难进一步提高其能量密度；相比于陶瓷电介质，聚合物电介质具有更高的击穿场强和更好的柔韧性、加工性，特别是在柔性电子器件和智能可穿戴设备等领域具有重要的应用价值。不过，单一组分聚合物材料的介电常数通常较低，限制了其应用与发展。因此，如何提高聚合物材料的介电常数，成为柔性电子技术领域亟待解决的问题。

中国专利cn106497064a，通过在高分子基体中添加高介电陶瓷材料batio3(bto)、srtio3(sto)，来提高其介电常数。然而，由于陶瓷材料的引入，降低了复合材料的柔韧性和击穿场强，不利于工程应用。此外，中国专利cn108538643a，通过电沉积的方法把功能材料石墨烯附着在全棉针织物及涤棉针织物上，这种方法制备出具有正介电常数的柔性复合薄膜。然而，由于材料的介电弛豫行为，导致复合薄膜在高频段很难保持高介电常数，在实际应用中有一定的局限性。中国专利cn106218188a以正介电材料和负介电材料为原料，将两者通过热压成型工艺获得双层结构的石墨/聚偏氟乙烯块体复合材料，显著提高了聚合物基体的介电常数。由于聚偏氟乙烯属于铁电聚合物，存在铁电滞后现象，造成矫顽场大，极化反转响应慢，机电转换效率低，从而限制了其在柔性电子器件中的应用。

技术实现要素：

本发明的目的是为了更好地满足柔性电子器件与技术的需求，提供一种具有高介电常数的柔性薄膜复合材料。

为了达到上述目的，本发明提供了一种三明治结构的高介电柔性复合薄膜的制备方法，所述的复合薄膜由三层结构层叠组成，所述的三层结构分别为：具有正介电常数的第一外侧层、具有负介电常数的中间层、及具有正介电常数的第二外侧层；所述的中间层设于所述的第一外侧层和所述的第二外侧层之间；所述的制备方法包含以下步骤：

步骤(1)，将有机硅橡胶的前驱体、固化剂、及有机溶剂混合均匀，获得混合溶液；其中，所述的有机溶剂与所述的前驱体的质量相等，所述的前驱体与所述的固化剂的质量比为10:1；

步骤(2)，将所述的混合溶液与碳纳米管混合以形成浆料；

碳纳米管的质量与所述混合溶液的质量百分比为0.5％～2％时，形成的浆料用于制备所述的第一外侧层或所述的第二外侧层；

碳纳米管的质量与所述混合溶液的质量百分比为3％时，形成的浆料用于制备所述的中间层；

步骤(3)，将用于制备所述第一外侧层的浆料涂覆在平板上，固化后涂覆用于制备所述中间层的浆料，待固化后再涂覆用于制备所述第二外侧层的浆料并固化，获得由具有正介电常数的第一外侧层、具有负介电常数的中间层、及具有正介电常数的第二外侧层所层叠组成的三明治结构的复合薄膜；

步骤(4)，将所述的复合薄膜从平板上剥离。

较佳地，步骤(1)中，所述的有机硅橡胶为聚二甲基硅氧烷。

较佳地，步骤(1)中，所述的有机溶剂为正庚烷。

较佳地，步骤(3)中，所述的平板指玻璃平板。

较佳地，步骤(3)中，所述的固化的温度为80℃～180℃，时间为1h～3h。

较佳地，步骤(3)中，所述的固化的温度为120℃，时间为2h。

较佳地，所述的中间层、所述的第一外侧层及所述的第二外侧层的厚度均为0.1～2mm。

较佳地，所述的中间层、所述的第一外侧层及所述的第二外侧层的厚度均为0.2mm。

本发明还提供了一种三明治结构的高介电柔性复合薄膜，该薄膜可由上述方法制备得到。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明以碳纳米管作为功能填料，获得具有三明治结构高介电性能的柔性复合薄膜，该复合薄膜具有较高的介电常数及击穿场强，在一定程度上克服了电子器件的使用局限。

(2)负介电性能是一种新的物理性质，属于超材料范畴，本发明基于负介电材料与正介电材料的三明治结构设计，获得具有高介电数值的柔性复合薄膜，拓宽了超材料在电子材料领域的应用空间。

(3)随着电子元器件向小型化、高频化和大功率化方向发展，具有高介电常数的高分子材料在满足下一代电子设备和系统要求方面有着重要意义。

(4)本发明的方法具有工艺简便、成本低和易于规模化生产等特点。

附图说明

图1为比较例、实施例1、实施例2、实施例3、实施例4制备得到的柔性复合薄膜的介电频谱图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步说明，但熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明包括但不限于这里的实施例。本领域技术人员根据本发明的实施例，对本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

以下比较例或实施例中，碳纳米管与含有聚二甲基硅氧烷的前驱体、固化剂和有机溶剂的混合溶液的质量百分比为0～2％时，得到的材料具有正介电常数；碳纳米管与混合溶液的质量百分比为3％时，得到的材料具有负介电常数。本发明选用具有比表面积大、导电性好、化学稳定性好、环境友好等突出特点的碳纳米管(cnts)作为提供负介电常数的功能体，将其添加到聚二甲基硅氧烷(有机硅橡胶)柔性基体中，通过调节碳纳米管含量及其在基体中的分布状态，分别获得具有正、负介电常数的功能层。然后，将正介电层材料和负介电层材料进行结构设计，制备出具有三明治结构的柔性复合薄膜，其中间层为负介电层，上、下两层为同一组分的正介电层。

实施例1

(1)称量聚二甲基硅氧烷的前驱体和有机溶剂正庚烷各2.5g，然后磁力搅拌10min，使其混合均匀。

(2)加入0.25g固化剂，磁力搅拌10min，使其混合均匀，获得总重为5.25g的混合溶液。

(3)按照计算质量配比添加碳纳米管到混合溶液中，得到的浆料a、b分别用于制备具有正、负介电常数的涂层，其中，浆料a中加入的碳纳米管为0.0263g(加入的碳纳米管与混合溶液的质量百分比为0.5％)，用于制备具有正介电常数的上、下层薄膜，即用于制备具有正介电常数的第一外侧层和第二外侧层。为了保证上、下两层薄膜的结构均一性，上、下层薄膜中的碳纳米管的质量分数相等。浆料b加入的碳纳米管为0.1624g(加入的碳纳米管与混合溶液的质量比为3％)，用于制备具有负介电常数的中间层薄膜。并对浆料a、b磁力搅拌10min，然后超声振荡处理10min。

(4)采用逐层涂覆、逐层固化的方法，将浆料a、b分别涂覆在光滑、平整的玻璃板上，制得a-b-a型的三明治结构的柔性复合薄膜。单层膜的厚度控制在400μm，固化温度为120℃，固化时间为2h。