[发明专利]一种新的介电复合材料

说明书

本发明属于介电复合材料领域，具体涉及一种新的介电复合材料。采用的技术方案为：一种介电复合材料，所述介电复合材料为陶瓷纳米线/聚合物复合材料，按体积百分比，所述介电复合材料中，所述陶瓷纳米线占比为1％～10％，所述聚合物占比为90％～99％；所述陶瓷纳米线在介电复合材料中以任意方向进行有序排列。本发明采用3D打印技术使浆料中的陶瓷纳米线定向排列，并调控了纳米线的分布方向，进而有效提升了复合材料的性能。

技术领域

本发明属于介电复合材料领域，具体涉及一种新的介电复合材料。

背景技术

近年来，为缓解化石能源所带来的环境污染和能源匮乏等问题，太阳能电池、锂电池和电容器等可再生能源技术得到快速发展，其中，电容器相比锂电池等储能器件具有充放电速度快、稳定性好和成本低等优势，适合应用于高功率电子设备。但目前高功率电容器普遍存在能量密度过低的缺陷。因此，如何提高电容器的能量密度是该领域研究的瓶颈。

要提高介电材料的能量密度，需要提高其相对介电常数和抗击穿电场值。铁电陶瓷一般具有成千上万的高介电常数，但是其抗击穿电场较低，相反，聚合物具有高抗击穿电场，但是其介电常数通常低至10以下，显然单组分的陶瓷或者聚合物均不是理想的介电材料。陶瓷/聚合物介电复合材料由于兼具陶瓷的高介电常数和聚合物的高抗击穿电场、低损耗和柔性等特点，被认为是目前最有潜力的介电材料之一。球形的铁电陶瓷颗粒，如BaTiO₃，Pb(Zr_1-xTi_x)O₃(PZT)和Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃–PbTiO₃(PMN-PT)等由于具有高介电常数且制备工艺成熟，常被选择填充到聚合物基体中，并且含量通常高达50vol.％。添加高含量陶瓷填料后，复合物的介电常数得到显著增加，但高含量的陶瓷填料不仅在复合物中引入了孔洞和裂纹等缺陷，还破坏了其柔性，因此高介电常数往往是以牺牲材料的抗击穿电场值为代价的，限制了复合物能量密度的提高。

研究证明，采用一维的陶瓷纳米线取代零维的球形纳米颗粒作为填充相可以有效地克服上述问题。由于陶瓷纳米线/聚合物具有低渗流阈值，通常只需添加低于10vol.％的陶瓷纳米线就能达到介电常数的峰值，并且相比陶瓷纳米颗粒，陶瓷纳米线更容易在聚合物基体中分散均匀，因此保持了聚合物基体高抗击穿电场的优势。此外，高长径比的陶瓷纳米线相对球形的陶瓷纳米颗粒具有更大的偶极矩，在相同条件下可以更有效地提高复合物的介电常数，因此，纳米线成为该领域当前的研究热点。

然而，目前对陶瓷纳米线的研究仍然局限在调节其合成工艺，比如改变陶瓷纳米线的体系、含量和调控其长径比等，其复合物的能量密度值虽然相对填充球形陶瓷颗粒的复合物有较大幅度的提高，但是目前已经处于一个继续提高艰难的瓶颈阶段。因此，如何突破当前的瓶颈，更大程度地提高复合物的能量密度，需要改变当前的传统思路。

密歇根大学Henry A.Sodano教授团队采用拉伸法改变PZT纳米线在复合物中的排列，证明了在PVDF基体中，相比其无规则分布，PZT纳米线平行于电场分布时，在相同电场和PZT纳米线含量条件下可以更有效地提高复合物的能量密度。同济大学翟继卫教授团队合成了二氧化钛(TiO₂)纳米线阵列，并以此为填充物制备了聚偏氟乙烯(PVDF)基介电复合材料，在平行于纳米线生长方向的电场下作用下(340kV/mm)获得了相比TiO₂纳米线无规分布的复合物明显提高的放电能量密度(10.62J/cm³)。华中科技大学姜胜林教授团队采用流延法制备了BaTiO₃纳米线定向排列的复合物，其储能密度在较低的电场(240kV/mm)下取得了大幅提高(10.8J/cm³)。宾夕法尼亚州立大学C.A.Randall等人报道了蒙脱土纳米片有序地分散在聚乙烯(PE)中，其复合物的介电常数和抗击穿电场相比其无规分布的复合物均显著提高。由此可见，调控陶瓷纳米结构在复合物中的分布形态是在不改变陶瓷体系和增加填充量的条件下提高复合物能量密度的有效办法之一。