[发明专利]一种高储能密度的聚偏氟乙烯复合薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于复合材料制备技术领域，尤其是涉及一种高储能密度的聚偏氟乙烯复合薄膜的制备方法。

背景技术

电容元件具有放电功率大、利用效率高、充放电速度快、性能稳定等优良性能，在电力系统、电子器件、脉冲功率电源方面扮演着重要的角色，广泛应用于混合动力汽车、坦克电磁炮、电磁发射平台等国防现代化工业领域。但现在的电容元件存在诸如：储能密度低、放电电流小、寿命短等不利因素，使它的应用受到了限制。而实现电容元件向高储能化的转变，根本在于提高材料的储能密度，降低材料的损耗。

材料储能性能与材料的介电常数、耐击穿强度、损耗密切相关，提高材料的储能性能就是要提高材料的介电常数、耐击穿强度，降低材料的损耗。目前使用最多的高介电铁电陶瓷材料，如：BaTiO₃，Ba_xSr_1-xTiO₃，Pb(Mg,Ng)O₃等，虽然具有较高的介电常数，但加工过程中耗能较大(高温烧结)，耐击穿场强低，可加工性差，难以与有机基板或印刷电路板相兼容。面对产品的小型化、轻型化，单独的铁电陶瓷材料已经很难满足要求，而聚合物材料(如：PVDF,P(VDF-TrFE))由于具有良好的柔韧性、击穿场强高、质量轻、加工温度低、与有机基板的相容性好、可以大面积成膜等优点，被广泛应用，但介电常数较低(通常小于10)，储能特性受到限制。因此，通过材料的复合效应，将铁电材料填充入聚合物中，可以将聚合物基体良好的柔韧性、耐击穿特性和陶瓷的高介电性能结合起来，在显微结构层次上利用复合效应设计和开发新材料在实际工作中被证明是一种行之有效的途径。

而复合材料基体是有机高分子材料，功能填料为无机材料，由于有机高分子和无机材料在结构和性能上存在巨大差异，因而界面的相容性和结合力差，很难实现良好的界面结合，众多的研究学者使用合适的偶联剂对陶瓷颗粒进行表面修饰，改善了其在聚合物基体中的分散性，增强陶瓷-界面层-聚合物间的键合作用，有效提高了铁电/聚合物复合材料的介电常数和机械性能，如：Dang等人采用硅烷偶联剂KH550对BaTiO₃进行界面改性处理，发现1％的KH550明显改善了BaTiO₃/PVDF复合材料的中BaTiO₃与基体之间的结合情况，但是偶联剂的成本较高。

同时当陶瓷颗粒的体积百分含量过高，致使复合材料柔性较差，且高含量的陶瓷颗粒使得复合材料中的缺陷增多，显著降低了材料的击穿场强。而陶瓷纳米纤维具有一定的长径比，相比于目前常用的陶瓷纳米粉，能够在更低含量下有效提高复合材料的介电常数，从而保证复合材料在低含量下获得较高介电常数并且较高的击穿强度。表面氟化处理有效改善了陶瓷纤维与聚合物基体之间的界面，提高了陶瓷纳米纤维与聚合物基体之间的相容性，保证了陶瓷纳米纤维的均匀分散，减少了界面引起的缺陷。该复合材料的介电常数可以通过调节陶瓷纳米纤维的含量进行调制10-40，其介电损耗保持在(<5％)的较低水平，击穿场强(>2100kV/cm)保持在较高水平，从而显著提高了其储能密度(7.5J/cm³)，实验证明这种表面氟化处理的纳米纤维填充聚合物基复合材料同时兼有较高的介电常数、较低的介电损耗、介电常数和介电损耗随频率变化稳定、较高的击穿场强和较大的储能密度,可用于嵌入式电容器等方面。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种简单易行、成本低、方便快速、可规模化生产的高储能密度的聚偏氟乙烯复合薄膜的制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种高储能密度的聚偏氟乙烯复合薄膜的制备方法，复合薄膜由PVDF基体和分散在PVDF中的表面氟化处理过的Ba_xSr_1-x TiO₃纳米纤维组成，具体采用以下步骤：

(1)采用静电纺丝法制备Ba_xSr_1-x TiO₃纳米纤维；

(2)将Ba_xSr_1-x TiO₃纳米纤维分散在H₂O₂中，在100℃下搅拌3-5h，离心、洗涤，得到将表面羟基化的酸钡纳米纤维，然后在氟化室中进行氟化处理；