[发明专利]一种聚合物基复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及复合材料制备技术领域，尤其是涉及一种高储能密度、高放电效率的聚合物基复合材料及其制备方法。

背景技术

高储能密度电容器具有放电功率大、利用效率高、充放电速度快、性能稳定等优点，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、脉冲功率系统、电磁炮、电磁发射平台等现代化工业及国防领域。随着电子器件向微型化、集成化、高速化的方向发展，对电容元件提出了的高储能、小型化、轻质量、低成本、高可靠性的要求。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，致使储能电容器体积庞大，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。目前研究最多的高储能电容器材料包括高介电铁电陶瓷材料、玻璃陶瓷、聚合物材料等，BaTiO₃基铁电陶瓷具有较高的介电常数，但耐击穿场强低，而聚偏氟乙烯(PVDF)材料具有良好的柔韧性、击穿场强高、质量轻等优点，但介电常数较低(通常小于10)，因此两者的储能能力都受到了限制。

在众多的复合材料中，钛酸钡基/聚偏氟乙烯复合材料因其具有的优异机械性能、易加工、质轻、成本低等优点，受到人们的广泛关注。但复合材料的介电常数随着陶瓷填料含量的增高而不断增高，但持续增加陶瓷粉体填料在聚合物基体中的体积分数(>60vol.％)，室温介电常数的增加并不明显(<～100)，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。此外，由于钛酸钡基填料和聚合物基体介电性能差异明显，因此在外电场作用下，钛酸钡基填料和聚合物两相的极化程度也不一样，为了平衡这两种极化的差异，局部的离子和电荷将会向界面处转移，界面处电荷增加会导致复合材料介电常数的增加，但同时会引起材料中的电场发生畸变，导致复合材料内部出现不均匀的电场，从而降低了复合材料的击穿场强；同时界面极化电荷的放电时间较长，造成材料内部的电能在电场撤掉之后并不能完全释放出来，导致能量损耗。界面极化(慢极化或低频极化)引起的电荷在两相界面处聚集，不利于高储能密度材料的应用，也会降低器件的可靠性和循环操作特性。

中国专利201210425038.4公开了一种聚偏氟乙烯/钛酸钡复合膜材料的制备方法。先用钛酸酯耦联剂(NDZ101)对具有铁电性质的BT纳米颗粒进行表面改性，然后加入具有优异介电常数的有机材料PVDF，通过NDZ101的桥梁作用，使得BT与有机基体PVDF结合得更紧密，从而减少了复合材料PVDF/BT的缺陷，并在制备过程中加以超声和搅拌处理，以及通过静置舍去因BT颗粒团聚而沉积的部分。该专利通过采用的大量陶瓷填料填充制备复合材料，来提高介电常数的方法，牺牲复合材料的耐击穿场强，低电场条件下获得的储能密度，使得制备的复合材料的储能密度较低。

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高储能密度、高放电效率的聚合物基复合材料及其制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种聚合物基复合材料，该复合材料为由聚偏氟乙烯基体和分散在聚偏氟乙烯基体中的纳米纤维材料组成的复合薄膜，所述的纳米纤维材料呈核壳结构，其中，核层为陶瓷纤维，壳层为氧化铝包覆层。

所述的复合材料中，纳米纤维材料的体积百分含量为2.5％～50％，其余为聚偏氟乙烯基体。

所述的纳米纤维材料的直径为100-300nm，长度2-10μm，所述的氧化铝包覆层的厚度为1～15nm。

所述的陶瓷纤维的材料为钛酸锶、钛酸钡或钛酸锶钡，其中，钛酸锶钡的化学表达式如下：Ba_xSr_1-xTiO₃，0<x<1。

所述的复合薄膜的厚度为3～100μm。

一种聚合物基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将陶瓷纤维置于硝酸铝、聚乙烯吡咯烷酮和乙醇的混合溶液中，搅拌混合均匀，离心分离、洗涤、干燥后，经烧结得到具有核壳结构的纳米纤维材料；

(2)将步骤(1)制得的纳米纤维材料中加入偶联剂，升温搅拌反应，洗涤干燥后即得到表面改性的纳米纤维材料；

(3)将表面改性后的纳米纤维材料加入聚偏氟乙烯和二甲基甲酰胺(DMF)的混合物中，搅拌混合均匀得到混合液，倒入流延机流延成膜，干燥即得复合薄膜；