[发明专利]多组分层状介电膜及其用途

说明书

多组分介电膜包括至少第一聚合物材料、第二聚合物材料和第三聚合物材料的分立的重叠介电层。邻接的介电层在它们之间限定大致平面的界面，该界面通常位于x‑y‑z坐标系的x‑y平面中。层之间的界面使层中的电荷累积离域化。至少一个介电层包括具有横向于x‑y平面延伸的聚合物层界面的分立聚合物层的叠层以及任选地具有比第一聚合物材料、第二聚合物材料和/或第三聚合物材料更高的介电常数的至少一个填料。

相关申请

本申请要求于2015年9月14日提交的美国临时申请第62/218,337号的优先权，其主题内容以全文引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及多组分层状介电膜及其在电容器和其他能量储存装置中的用途。

背景技术

电容器使用诸如聚丙烯(PP)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚碳酸酯、聚2,6-萘二甲酸乙二醇酯、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚苯醚氧化物、聚四氟乙烯和聚苯硫醚的热塑性介电薄膜聚合物，或是金属化或保持在金属箔电极之间。金属化膜电容器广泛用于各种电气和电子设备，包括用于空调、荧光灯和高强度灯镇流器、电源、电信设备、仪器和医疗电子设备的电机运行和电机启动电路。在许多这些应用中，金属化电容器用于储存能量。

美国专利第8,611,068号描述了用于生产介电膜的聚合物材料的多层共挤出工艺。该专利公开了包含具有不同介电性质的聚合物的交替层的介电多层聚合物膜，在层之间产生使电荷离域化并改善介电性质的界面。该专利公开了在多层膜中使用两种或更多种可混溶或不混溶的聚合物或其混合物。还教导了膜的后续拉伸以改善介电性质。

发明概述

本文描述的实施方案涉及可以例如用于电容器或能量储存应用中的多组分层状介电膜。该多组分层状介电膜包括多个分立聚合物层，所述聚合物层至少部分重叠以限定分立的重叠介电层。多个分立的聚合物层可以包括第一聚合物层、第二聚合物层和第三聚合物层，它们限定了一个、两个、三个或更多个分立的重叠介电层。

多组分层状介电膜可具有梯度层结构或具有不同单独层厚度的层包。该膜也可以包含多个这样的包，每个层包包含两层或更多层的厚度变化。

在一些实施方案中，层结构可以呈现与外层具有相同或不同聚合物的附加层。可以添加外层以提供改善的介电性质，例如击穿强度或介电常数。

在一些实施方案中，多组分层状介电膜可以包括分立的重叠介电层的叠层。介电层的叠层可以至少包括第一聚合物材料、第二聚合物材料和第三聚合物材料。叠层的邻接介电层可以在其之间限定通常位于x-y-z坐标系统的x-y平面中的大致平面的界面。介电层中的至少一个可以包括具有横向于x-y平面延伸的聚合物层界面的分立聚合物层的叠层，并且可选地包括至少一种具有比第一聚合物材料、第二聚合物材料和/或第三聚合物材料更高的介电常数的非聚合物填料。与现有技术的介电膜相比，介电层之间的界面可使层内累积的电荷离域化以提供增强的击穿强度和降低的损耗。

在一些实施方案中，介电层中的至少一个可以包括约1体积％至约50体积％的非聚合物填料或两种或更多种非聚合物填料或粒度的混合物。非聚合物填料可以包括颗粒、纤维或其他材料中的至少一种，例如SrTiO₃，ZrO₂，HfO₂，Y2O₃，CaCu₃Ti₄O₁₂，LaAlO₃，BaTiO₃，SiO₂，TiO₂，La₂O₃，Al₂O₃，炭黑，石墨烯或碳纳米管或它们的修饰物。

在其他实施方案中，介电层中的至少一个可以包括两种或更多种聚合物的共混物或混合物。两种或更多种聚合物可以基本上彼此混溶以允许挤出聚合物混合物或共混物。