[发明专利]高介电、高储能纳米复合材料的制备方法

说明书

本发明提供了一种高介电、高储能纳米复合材料的制备方法，其包括如下步骤：分别制备静电纺丝前驱体溶液、涂膜前驱体溶液A和涂膜前驱体溶液B；将所述静电纺丝前驱体溶液进行静电纺丝，得到有序纤维膜；将所述涂膜前驱体溶液A进行流延成膜，得到流延膜A，将所述有序纤维膜平铺于所述流延膜A的表面，干燥后在有序纤维膜A的表面进行涂膜前驱体溶液B的流延，形成流延膜B；在200℃下进行淬火，得到所述高介电、高储能纳米复合材料。本发明制备的纳米复合材料结构致密，克服了传统电纺纤维膜气孔率高等缺点，在静电电容器、电压力控制系统、电缆绝缘、晶体管等方面有着广泛的潜在应用。

技术领域

本发明属于纳米复合材料领域，特别涉及一种利用静电纺丝技术有序纤维阵列为载体，使得一维纳米材料在复合材料中有序排列，从而调控高分子复合材料介电、储能性质的方法。

背景技术

高介电(高k)材料在电子电力行业有着广泛的应用。以静电电容器为例，由公式可以看出，其最大储能密度(U_max)正比于材料的介电常数(k)和其所能承受的最高电场强度(E_BD)，ε₀表示真空介电常数，也就是说，高的介电常数意味着材料可以存储更多的能量。

除介电常数之外，理想的高介电材料还需具有高的击穿强度和较低的介电损耗。同时，较好的易加工性和介电非线性在实际应用中也是必不可少的考虑因素。高分子材料因具有较高的击穿强度和易加工性而吸引了人们的注意，但是高分子材料通常具有较低的介电常数(一般小于10)，这也限制了其进一步应用。目前比较流行的办法有两种：在高分子基体中掺杂具有高介电常数的陶瓷粒子或者添加导电粒子。例如中国发明专利CN106543606 A提出一种掺杂高介电陶瓷材料的高储能密度聚合物复合电介质的制备方法；而中国发明专利CN103951917 B则是将石墨烯掺杂于高分子材料中，以期改善聚合物复合材料的介电性能。

各向异性是影响高分子复合材料介电、储能性能的重要因素之一。各向异性往往取决于掺杂物的尺寸、形状，以及其在高分子基体中的分布等。通过调控材料各向异性，其介电性能和储能能力将得以提高。例如，相比于零维纳米粒子，一维纳米线可以有效的增加复合材料的介电常数。Tang等发现，掺杂体积分数17.5vol％的钛酸钡(BaTiO₃)纳米线的复合材料的介电常数可以达到69.5，而掺杂30vol％零维BaTiO₃纳米颗粒的同种复合材料介电常数仅为52(Adv.Energy Mater.2013,3,451.)。这是因为相比低维纳米粒子而言，纳米线具有高的长径比，从而决定了其具有较低的表面能以及较大的偶极矩，因此，在掺杂较低含量时即能显著增加复合材料的介电常数。并且随着纳米线长径比的增加，这种优势越发明显，而介电损耗却仍然会维持在一个较低的值上(ACS Appl.Mater.Interfaces 2014,6,5450.)。同样的促进作用也体现在复合材料的击穿强度上。Shen和Nan的团队研究发现，除表面修饰的原因之外，掺杂BaTiO₃纳米线的复合材料的击穿强度比掺杂BaTiO₃纳米颗粒的复合材料也要有所提高(J.Mater.Chem.2012,22,16491.)。

另一方面，若将掺杂物在复合材料中有序排列起来，复合材料的介电性能和掺杂同种无序排列物质的相比也要明显不同，无论是介电常数(J.Appl.Phys.2008,103,034115.)还是击穿强度(J.Appl.Phys.2008,104,074106.)都会因为掺杂物的有序排列而得到显著提高。因此，这必然导致介电复合材料储能密度的明显增加。