一種介電復(fù)合材料的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種介電復(fù)合材料，特別是設(shè)及一種制備在高電場下具有高儲能密度 的復(fù)合材料。
【背景技術(shù)】
[0002] 在化石能源危機(jī)日益突出的工業(yè)社會，高儲能密度的介電復(fù)合材料越來越受到商 業(yè)和科學(xué)屆的關(guān)注。陶瓷/聚合物復(fù)合材料是被認(rèn)為最有潛力的介電復(fù)合材料之一，因為 該材料可W同時結(jié)合陶瓷介電常數(shù)大和聚合物柔性佳的特點，根據(jù)介電材料儲能密度扣。） 的計算公式：
[0004] 其中，e。，et和E分別為真空介電常數(shù)，復(fù)合材料相對介電常數(shù)和應(yīng)用的電場。 從公式可W得出，要提高能量儲存的密度，那么就是要同時提高復(fù)合材料的高介電常數(shù)和 高擊穿電場。陶瓷/聚合物復(fù)合材料已經(jīng)被廣泛研究，大部分研究集中在如何提高復(fù)合材 料的介電常數(shù)，通過探索高性能的填充相和不同的方法修飾填充相表面，W提高復(fù)合物的 介電常數(shù)。然而它們都會面對一個共同的問題，由于界面性質(zhì)差別甚遠(yuǎn)的異相材料的引入， 都會不同程度的破壞聚合物基的結(jié)構(gòu)，并且引入難免的缺陷，從而復(fù)合材料的抗擊穿電場 會不同程度的降低。 陽〇化]目前報道的儲能復(fù)合材料的擊穿電場一般集中在100-250kV/mm運(yùn)個區(qū)域，也就 是說，介電復(fù)合材料除了介電常數(shù)還有巨大提升空間之外，其抗擊穿電場的能力也存在較 大的提升空間，因此，如何同時實現(xiàn)高介電常數(shù)和高抗擊穿電場是當(dāng)前介電復(fù)合材料研究 的一個難點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于從結(jié)構(gòu)上設(shè)計創(chuàng)新，提供一種制備方法簡單、具有高抗擊穿電 場和高介電常數(shù)的復(fù)合材料，W大幅提高其能量儲存密度。 陽007] 本發(fā)明的技術(shù)方案為：
[0008] 一種介電復(fù)合材料，由無機(jī)物/聚合物復(fù)合材料層與聚合物層組合形成多層結(jié) 構(gòu)，所述的介電復(fù)合材料的層數(shù)不少于二層，所述的聚合物層的體積分?jǐn)?shù)為所述的介電復(fù) 合材料體積分?jǐn)?shù)的10%~45%。
[0009] 進(jìn)一步的，所述的介電復(fù)合材料由無機(jī)物/聚合物復(fù)合材料層與聚合物層交替疊 加形成多層結(jié)構(gòu)，且不少于=層，介電復(fù)合材料的最外層為無機(jī)物/聚合物復(fù)合材料層。
[0010] 進(jìn)一步的，所述的介電復(fù)合材料的層數(shù)可W是3層、4層、5層，或者更多層。
[0011] 更進(jìn)一步的，所述的介電復(fù)合材料的層數(shù)為3層時，所述的聚合物層的體積分?jǐn)?shù) 為該介電復(fù)合材料體積分?jǐn)?shù)的25 %~35 %。
[0012] 更進(jìn)一步的，所述的介電復(fù)合材料的層數(shù)為5層時，所述的聚合物層的體積分?jǐn)?shù) 為該介電復(fù)合材料體積分?jǐn)?shù)較優(yōu)選為25 %~45 % ;最優(yōu)選25 %~35 %。
[0013] 進(jìn)一步的，所述的無機(jī)物/聚合物復(fù)合材料層中的無機(jī)物選自零維的陶瓷粉末、 一維的陶瓷粉末、零維的導(dǎo)體顆粒和一維的導(dǎo)體粉末。
[0014] 更進(jìn)一步的，所述的陶瓷粉末為鐵酸領(lǐng)、妮儀酸鉛錯鐵酸鉛、鐵酸鎖領(lǐng)、錯鐵酸鉛 或二氧化鐵中的一種或者幾種，
[0015] 更進(jìn)一步的，所述的導(dǎo)體粉末選自銀、金、碳黑、碳納米管和石墨締中的一種或者 幾種。
[0016] 進(jìn)一步的，所述的無機(jī)物/聚合物復(fù)合材料層中的聚合物為熱塑性聚合物，選自 環(huán)氧樹脂、聚苯乙締、聚丙締、聚乙締、偏氣乙締樹脂、或聚甲基丙締酸甲醋中的一種或幾 種。
[0017] 更進(jìn)一步的，所述的無機(jī)物/聚合物復(fù)合材料層為環(huán)氧樹脂與妮儀酸鉛錯鐵酸鉛 粉末復(fù)合層。復(fù)合層中妮儀酸鉛錯鐵酸鉛粉末為聚偏氣乙締六氣丙締體積的60vol%。聚 合物層為環(huán)氧樹脂。
[0018] 更進(jìn)一步的，所述的妮儀酸鉛錯鐵酸鉛陶瓷粉末是由烙鹽法制備。
[0019] 所述的介電復(fù)合材料的層狀結(jié)構(gòu)是通過各層的懸浮液依次旋涂的方法或誘注的 方法制備。
[0020] 所述的旋涂法是指先配制聚合物溶液，向其中加入無機(jī)填充相，混合液球磨分散 后得到A液，配制純的聚合物溶液，定義為B液。利用勻膠機(jī)，將A液和B液按照規(guī)定的層 數(shù)分別涂覆在玻璃基板上，干燥后即得到多層結(jié)構(gòu)的介電復(fù)合材料。
[0021] 在本方案的一個優(yōu)選的實施例中，所述的介電復(fù)合材料的制備方法為8質(zhì)量％的 環(huán)氧樹脂溶液，向其中加入相對于環(huán)氧樹脂60vol%的妮儀酸鉛錯鐵酸鉛粉末和2質(zhì)量％ 的=乙胺，妮儀酸鉛錯鐵酸鉛粉末的粒徑為100納米~1微米，混合液球磨24小時得到A 液，配制12質(zhì)量％的環(huán)氧樹脂溶液，為B液。利用勻膠機(jī)，W200轉(zhuǎn)每分鐘的速度在蓋玻片 上旋涂一層A液，室溫下干燥10分，然后再在條件下先后分別旋涂一層B液和A液。
[0022] 在本方案的一個優(yōu)選的實施例中，所述的介電復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)為妮儀酸鉛錯鐵酸 鉛/環(huán)氧樹脂復(fù)合物層與純聚偏氣乙締六氣丙締聚合物層交替疊加形成五層結(jié)構(gòu)的復(fù)合 材料，其在344kV/mm電場下測得的最大儲能密度為4. 02J/cm3
[0023] 本發(fā)明的有益效果
[0024] 本發(fā)明的目的在于調(diào)控復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)，提供一種制備方法簡單、具有高抗擊穿 電場和高介電常數(shù)的復(fù)合材料，W大幅提高其能量儲存密度。具體地，本發(fā)明通過設(shè)計了一 種多層的介電復(fù)合材料，其中復(fù)合材料是由妮儀酸鉛錯鐵酸鉛/環(huán)氧樹脂的復(fù)合材料與 純環(huán)氧樹脂組成，通過旋涂法制備了質(zhì)量優(yōu)異的多層復(fù)合材料膜。發(fā)明人通過研究發(fā)現(xiàn)本 發(fā)明的復(fù)合材料中，聚合物層在復(fù)合材料中所占的體積分?jǐn)?shù)對整體材料的性能的提升起著 非常關(guān)健性的作用，體積分?jǐn)?shù)若低于10%，高于45%，則導(dǎo)致整體材料的儲能密度的下降， 同時發(fā)明人發(fā)現(xiàn)中間層為=層，聚合物的體積分?jǐn)?shù)最優(yōu)選的體積分?jǐn)?shù)為25-35%會達(dá)到最 佳的儲能密度和抗擊穿電場（參見圖2所示）。在實驗過程中，發(fā)明人還驚喜地發(fā)現(xiàn)，本發(fā) 明制備得到的復(fù)合材料的抗擊穿電場可W由單層復(fù)合材料的162kV/mm提高到315kV/mm， 同時儲能密度由單層復(fù)合材料的2. 03J/cm3提高到5. 22J/cm3。且本發(fā)明制備過程簡單，可 W采用傳統(tǒng)的旋涂工藝，為工業(yè)實際應(yīng)用創(chuàng)造了條件。
【附圖說明】
[00巧]圖1為多層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的微觀形貌圖，其中圖Ia和化分別為=層結(jié)構(gòu)和五層 結(jié)構(gòu)，從圖上可W看出明顯的多層結(jié)構(gòu)，界面分明，并且無缺陷，中間純聚合物層厚度成梯 度變化。
[00%] 圖2為不同中間層厚度=層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料與純樹脂W及單層復(fù)合材料儲能密度 和抗擊穿電場能力對比圖。體積分?jǐn)?shù)分別為53%、35%、25%、15%和9%的五個樣品是S層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，100%和0%的分別是純樹脂樣品和單層復(fù)合材料樣品?？蒞看出，=層 結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料抗擊穿電場相對于單層結(jié)構(gòu)明顯提高，從1