[发明专利]高储能密度电介质材料及其制备方法

说明书

本发明涉及高储能密度电介质材料及其制备方法，所述高储能密度电介质材料，包括层叠的至少两层有机‑无机复合膜和至少一层有机膜，且最外层为有机‑无机复合膜，所述有机‑无机复合膜包括有机基体和无机填料，所述有机基体为热塑性树脂和热固性树脂中的至少一种，所述无机填料是介电陶瓷材料，所述有机膜为热塑性树脂和热固性树脂中的至少一种。

技术领域

本发明涉及一种多层结构的高储能密度有机-无机复合材料及其制备方法。

背景技术

具有高充放电速度和高功率密度的介电电容器在电力系统、脉冲功率电源等方面扮演着重要角色。近年来以智能物联网和可穿戴技术为代表的新一代信息技术和产业对电子系统的高集成度、小型化、轻量化和高密度化的需求驱使传统陶瓷电介质材料迅速减薄，漏电流急剧增加。因此寻找新型高储能密度电介质材料已经成为信息功能材料和微电子领域的前瞻性研究课题。高储能密度聚合物复合电介质材料由于工艺简单、成本低廉、易与柔性基体兼容以及适合大面积生产等优点已成为学术和产业界关注的热点。

根据介电材料储能密度的定义(公式1)，介质材料的能量密度主要取决于电场强度E和电位移矢量D，对于一般的线性介电材料的储能密度U_e则可以简化为公式2，其中ε₀与ε_r分别是真空和介质材料的介电常数，E_B是介电击穿强度。

因此同时提高材料的介电常数和击穿强度可以最大限度地提高介电材料的储能密度。

为了获得高储能密度的聚合物复合材料，目前通用的方法包括：依据有效介质理论，在聚合物基体中填充各类高介电陶瓷填料构筑0-3型高介电聚合物复合材料。但是这种通过陶瓷的添加量来调控复合材料的介电特性的方法对于复合材料介电常数的提高仍然有限，同时大量填料的引入必然导致大量缺陷，从而降低材料的耐压强度。

发明内容

本发明的目的是要解决现有高储能密度的聚合物复合材料的介电常数低，耐压强度低的问题，而提供高储能密度电介质材料及其制备方法和应用。

一方面，本发明提供一种高储能密度电介质材料，其包括层叠的至少两层有机-无机复合膜和至少一层有机膜，且最外层为有机-无机复合膜，所述有机-无机复合膜包括有机基体和无机填料，所述有机基体为热塑性树脂和热固性树脂中的至少一种，所述无机填料是介电陶瓷材料，所述有机膜为热塑性树脂和热固性树脂中的至少一种。

根据本发明，一、在上述材料结构中，由于有机膜的存在，大大提高了复合材料的耐击穿强度，因此储能密度大大提高。二、上述材料充分利用了界面两边不同极性或电导率的组份在外电场的作用下，电介质中的电子或离子在界面处容易聚集引起的极化效应，进而提高了材料的介电常数的原理，同时在复合材料内部引入有机膜，如高绝缘性的PI，则可以在一定程度上提高复合材料的耐击穿电压和改善复合材料的介电损耗，因此根据材料的乘积效应，该多层复合材料膜可以同时提高材料的储能密度。三、上述材料的介电常数≥85，储能密度≥20J/cm³，耐压强度为400KV/mm～600KV/mm。

较佳地，所述高储能密度电介质材料的厚度为8μm～500μm，所述有机-无机复合膜的厚度为3μm～30μm；所述有机膜的厚度为2μm～20μm。

所述高储能密度电介质材料中包含至少两层有机-无机复合膜，且这两层有机-无机复合膜材质可以相同也可以不同。

较佳地，当所述高储能密度电介质材料的叠层中出现有机-无机复合膜与有机-无机复合膜相邻叠加时，相邻叠加的两层有机-无机复合膜的材质不同。

较佳地，当所述高储能密度电介质材料中包含多层有机膜时，两层有机膜之间至少隔一层有机-无机复合膜。