[发明专利]高介电常数复合材料和制造方法

说明书

相关申请交叉引用

本申请要求保护2011年3月23日提交的标题为“高介电常数复合材料”的美国临时申请No. 61/466,604的优先权，其通过引用整个地并入本文中。

联邦政府赞助的研究或开发

本发明是在Office of Naval Research授权的No. N000-14-08-1-0267的政府支持下实现的。政府对本发明拥有一定的权利。

技术领域

本发明一般涉及复合材料技术领域，更具体地，涉及具有高介电常数的复合材料。所述复合材料可以用在要求高介电材料的各种应用中，包括天线﹑电容器和高压绝缘体等。本发明进一步涉及制造高介电常数复合材料和并入了所述复合材料的设备的方法。

发明背景

陶瓷往往用在要求具有高介电常数的材料的应用中，例如用在电容器和储能设备中。然而，传统的陶瓷材料通常是脆的，和在拉伸应力和扭转应力下容易破裂。此外，传统的陶瓷材料表现低介电强度，限制了它们的在高电压、大功率或高能量存储系统中的应用。

现有努力依靠将环氧树脂或其他聚合物大分子并入与高介电常数陶瓷颗粒的混合物中来补偿陶瓷材料的固有脆性性质和低介电强度。然而，现有努力并没有实现为了实现所述复合材料的高效介电常数所要求的陶瓷颗粒的充填率。当前的努力也产生了包含空隙的复合材料，所述空隙降低了复合材料的介电常数和介电强度。

因此，仍然需要在高频范围内具有高介电常数的介电材料，其还具有高介电强度并具有坚固的机械性能和机械强度。

发明内容

本发明涉及具有高介电常数和高介电强度的复合材料，制备所述复合材料的方法，以及并入了所述复合材料的各种设备和结构，例如，天线、电容器和高压绝缘体组件。在一个实施方案中，所述高介电常数复合材料包含具有一定分布的高介电常数陶瓷颗粒和与所述颗粒混合并且被原位聚合的聚合材料。在各种实施方案中，所述介电常数大于20。

所述陶瓷颗粒可以具有约2 nm-约220 μm的单一粒度。或者，高介电常数陶瓷颗粒的分布可以为双峰分布、三峰分布，四峰分布或更高。所述高介电常数陶瓷颗粒的分布具有50%或更高的第一体积分数且所述聚合材料具有50%或更低的第二体积分数。

三峰分布的最大分布的陶瓷颗粒的直径可以在约10 μm和约220 μm之间，中间分布的陶瓷颗粒的直径可以在约500 nm和约5 μm之间，且三峰分布的最小分布的陶瓷颗粒的直径可以小于约500 nm，小至2 nm。在一个实施方案中，所述三峰分布包含至少一种具有在第一范围10μm-220μm的第一直径的第一陶瓷颗粒，至少一种具有在第二范围500nm-5μm的第二直径的第二陶瓷颗粒，和至少一种具有在第三范围50nm-500nm的第三直径的第三陶瓷颗粒。在另一个实施方案中，所述三峰分布包含至少一种具有在第一范围0.5μm-3μm的第一直径的第一陶瓷颗粒，至少一种具有在第二范围65μm-150μm的第二直径的第二陶瓷颗粒，和至少一种具有在第三范围150μm-500μm的第三直径的第三陶瓷颗粒。

在所述复合材料中可以使用任何高介电颗粒，包括陶瓷颗粒。在各种实施方案中，所述陶瓷颗粒为钙钛矿，包括其化合物。更具体地，所述钙钛矿可以包括钛酸钡、钛酸锶、钛酸钡锶、锆钛酸铅、铌镁酸铅-钛酸铅和其组合。进一步地，不与另一陶瓷颗粒的表面相接触的每个所述陶瓷颗粒的表面部分都与所述聚合材料或液体填料接触。

所述聚合材料基本上填充了在两个或更多个所述高介电常数陶瓷颗粒之间的空隙空间和，在一个实施方案中，所述聚合材料直接结合到所述高介电常数陶瓷颗粒的表面。在一个实施方案中，所述聚合材料为无机-有机偶联剂。具体地，粘合剂材料可以为由偶联剂(包括硅烷﹑钛酸酯﹑锆酸酯或其组合)形成的聚倍半硅氧烷。例如，硅烷偶联剂可以为任何三烷氧基硅烷，包括选自乙烯基三甲氧基硅烷、三乙氧基乙烯基硅烷、氨基丙基三乙氧基硅烷或其组合的那些。

在制造过程中，根据一个实施方案，在模压机中压制所述复合材料。在各种实施方案中，所述压制可以进一步促进所述聚合材料和所述陶瓷颗粒之间的接触和结合。可在模压机中压制之前将所述聚合材料的前体与所述具有一定分布的高介电常数陶瓷颗粒混合。进一步地，可以通过热﹑化学催化剂或者紫外光中的至少一种来原位聚合和交联所述前体。