[发明专利]一种交替多层结构的复合电介质材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种交替多层结构的复合电介质材料，属于电介质高分子材料技术领域，所述复合电介质材料由聚合物层与复合层交替层叠而成；将无机粒子与接枝活性基团的聚合物进行熔融共混形成核壳包覆结构的复合材料，并利用该复合材料与聚合物进行熔融挤出得到三元复合材料，最后通过三元复合材料与聚合物经过微纳共挤制备了具有交替多层结构的复合电介质材料，并利用该材料制备了复合材料薄膜，本发明的复合材料介电常数高，可以达到20以上；抗电强度高，可以达到500V/μm以上；储能密度高，50Hz频率下，储能密度最高可达为9.34J/cm³，在100Hz电场频率下，储能密度可达8.5J/cm³，其能量释放效率达到95％以上，同时所获得的材料可以通过双向拉伸得到厚度5‑30μm的薄膜材料，具有市场应用前景。

技术领域

本发明涉及复合电介质材料技术领域，尤其涉及一种交替多层结构的复合电介质材料及其制备方法。

背景技术

聚合物电介质材料由于高抗电强度、低损耗、高储能密度等优点而得到了广泛的应用。随着电力电子技术的不断发展，对各种大功率设备的需求日益增加，电力电子薄膜电容器具有高电压、高储能密度、超高脉冲功率、快速充放电、性能稳定等优点，电力电容器作为储能单元的应用日益广泛，包括大功率变频器、干线铁路机车车辆交流传动系统、城市轨道交通机车车辆外及其他军用领域。但电子工业的发展，尤其是高储能电力工业向微型化发展，对电介质材料的低损耗和高储能密度提出了更高的要求，但是由于目前商用PP、PET介电常数均小于3，从而导致其储能密度较低，难以满足电力电子行业对产品的高储能密度的需求。

同时，无机陶瓷粒子具有高介电常数、低抗电强度的特点，因此，通过将无机粒子与聚合物基体优点结合起来研制复合材料，实现两者的优势互补。

目前，复合电介质材料的制备主要是采用熔融共混和溶液共混的方法，将高介电常数的无机粒子分散在聚合物基体中。如“PZT/PVDF体系压电复合材料的介电和压电性能研究”文章中采用PVDF与钛酸钡熔融共混制备高介电常数的复合材料，但由于无机粒子难以均匀分布于PVDF基体中，无机粒子容易在材料基体中形成团聚，从而导致材料的加工性能不佳，所得到的材料不能加工为薄膜材料，实用性较差。又比如，“一种多层结构的聚合物基电介质材料及其制备方法，200910083691.5”专利中采用溶液共混法通过涂覆工艺得到三层结构的复合材料，但该专利中由于为解决无机粒子在聚合物基体中的团聚问题，无机粒子难以均匀稳定地分散于聚合物基体中，仅能通过热压法获得90-150μm厚度的样品，而不能通过拉伸法获得2-10μm厚度商用的电介质薄膜材料，因此，难以实际应用于产品。

目前所报道的复合电介质材料，多采用溶液法或熔融共混的法制备，难以解决无机纳米粒子在聚合物基体中容易发生团聚的问题，从而导致电介质复合材料的抗电强度较低。“一种高储能密度聚丙烯-马来酸酐介质聚丙烯-纳米氧化锆复合材料及其制备方法，201711382194.6”中氧化锆添加量为5％复合电介质材料的击穿场强仅400V/μm，从而导致储能密度较低，同时该专利中只能通过热压的方法获得薄膜实验样品。

因此，如何同时解决现有技术中的电介质复合材料的介电常数低、薄膜厚度大、储能密度低的问题，是本领域一直以来试图解决而未能解决的问题。

发明内容

本发明的目的之一，就在于提供一种交替多层结构的复合电介质材料，以解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种交替多层结构的复合电介质材料，所述复合电介质材料由聚合物层与复合层交替层叠而成；

其中，所述复合层由聚合物、改性聚合物和无机粒子组成，所述改性聚合物占所述复合层的体积百分含量为1-50％，所述无机粒子占所述复合层的体积百分含量为0.1-25％。

作为优选的技术方案：所述复合电介质材料的层数为2-512层，更优选的层数为32-128层。