[发明专利]石墨相氮化碳/聚合物复合材料及制备方法、储能材料

说明书

本发明提供一种石墨相氮化碳/聚合物复合材料及制备方法、储能材料，其中，石墨相氮化碳/聚合物复合材料中所述石墨相氮化碳具有片状结构且在所述复合材料中的质量百分含量为1‑30％。根据本发明实施例的石墨相氮化碳/聚合物复合材料，通过引入具有片状结构的石墨相氮化碳可以提高复合材料的介电常数、击穿场强和储能密度；此外，由于石墨相氮化碳制备方法简单，产量大，适合扩大生产，及用于制备石墨相氮化碳/聚合物复合材料。

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域，具体涉及石墨相氮化碳/聚合物复合材料及制备方法、储能材料。

背景技术

高储能密度的电容器在电气和电子工业中扮演着重要的角色，被广泛用于交通、医疗、民品、能源和航天等领域。近年来，随着电容器向小型化、轻量化以及集成化方向的发展，高储能密度的聚合物材料得到了巨大的关注。

聚合物材料的储能密度可按下式(1)计算：

其中，W_b是介电聚合物材料的储能密度(单位：J/m³)，ε₀是真空介电常数(单位：F/m)，ε_r是聚合物材料的相对介电常数，E_b是介电聚合物材料的击穿场强(单位：V/m或kV/mm)。

目前，提高介电材料储能密度主要是通过在聚合物基底中添加少量无机物提高介电常数或击穿场强。近年来，人们通过添加高介电常数的钛酸钡提高复合材料的介电常数，但其击穿场强往往明显下降。

发明内容

本发明人经过大量研究发现，具有二维片状结构以及较好绝缘性的半导体材料在聚合物中能够明显提高复合材料的击穿场强与储能密度。然而目前研究较多的氮化硼，其介电常数过低，不利于复合材料的介电常数提高，并且氮化硼产量较低，不利于扩大生产。

另一方面，石墨相氮化碳是一种具有二维片状结构的半导体材料，禁带宽度为2.7eV，因其具有很好的光响应，被广泛应用于光催化领域，然而在高储能聚合物复合材料领域还没有过具体研究。在认真研究石墨相氮化碳的微观结构及绝缘性能的基础上，本发明人等经反复研究发现，在将其应用在高储能聚合物复合材料中可以显著提高材料的介电常数与击穿场强，并在此基础上完成了本发明。

本发明的目的在于提供一种具有高储能密度的石墨相氮化碳/聚合物复合材料。

本发明的另一个目的在于提供一种储能材料。

本发明的再一个目的在于提供一种具有高储能密度的石墨相氮化碳/聚合物复合材料的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

根据本发明第一方面实施例的石墨相氮化碳/聚合物复合材料所述石墨相氮化碳具有片状结构且在所述复合材料中的质量百分含量为1-30％。

优选地，所述石墨相氮化碳的平面尺寸为50-1500nm，厚度为5-50nm。

更优选地，所述石墨相氮化碳为类圆片状，平面平均尺寸直径为80-400nm，厚度约20-30nm。

优选地，所述石墨相氮化碳在所述复合材料中的质量百分含量为3-10％。

优选地，所述聚合物选自聚氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚三氟乙烯、聚三氟氯乙烯、聚六氟丙烯、聚醚酰亚胺、及其混合物。

优选地，所述复合材料的储能密度为4J/cm³以上，相对介电常数为9.5以上。

根据本发明第二方面实施例的储能材料，包括上述任一实施例所述的石墨相氮化碳/聚合物复合材料。

根据本发明第三方面实施例的石墨相氮化碳/聚合物复合材料的制备方法，包括如下步骤：