[发明专利]一种耐高温多巴胺包覆钛酸钡/聚酰亚胺（BT@PDA/PI）介电纳米复合薄膜

说明书

一种耐高温多巴胺包覆钛酸钡/聚酰亚胺（BT@PDA/PI）介电纳米复合薄膜，原料由以93‑99vol%的聚酰亚胺（PI）为基体、1‑7vol%的多巴胺包覆的钛酸钡纳米粒子（BT@PDA）为填料组成，填料中钛酸钡（BT）纳米颗粒与多巴胺（PDA）的体积配比为4‑5：1；制备方法是在羟甲基氨基甲烷缓冲液（Tris）的环境中，用多巴胺盐酸盐溶液对BT纳米颗粒进行包覆，制得具有核壳结构的BT@PDA纳米颗粒，然后将其与PAA溶液机械共混，将BT@PDA/PAA共混体系真空除泡后，涂布成膜，再经高温热亚胺化，获得复合介电薄膜。本发明中多巴胺层将BT纳米颗粒包覆后，可改善BT颗粒在PI基体中的分布，降低BT纳米颗粒间的团聚，增强和PI基体之间的界面粘结，减少复合材料内部的缺陷，从而使BT@PDA/PI纳米复合薄膜在保持良好的力学性能的同时，获得优异的介电性能。

技术领域

本发明涉及一种耐高温聚酰亚胺介电纳米复合材料及其制备方法，具体为一种具有高介电性能的陶瓷颗粒/聚酰亚胺纳米复合薄膜及其制备方法，属于高性能介电复合材料制备领域。

背景技术

在航空电子电气和汽车工业、地下石油和天然气勘探行业以及先进推进系统领域的应用中，要求电介质材料在150℃，甚至更高温度环境下长期工作。目前，常用的聚合物电介质材料为双轴拉伸聚丙烯（BOPP），虽具有优异的高击穿强度（700MV/m），极低的损耗因子（0.0002），但其相对较低的介电常数（2.2）和有限的工作温度（105℃以下）限制了其在高温介电储能领域的应用。因此，亟需开发可应用于极端环境下具有高介电常数且耐高温的聚合物电介质薄膜电容器。聚酰亚胺（PI）是一种综合性能十分优异的特种工程塑料，其玻璃化转变温度高（Tg>250℃），具有优异的热稳定性，其耐高温性能比BOPP好得多，被认为是最有潜力的高温电容器用介质薄膜之一。与陶瓷电介质材料相比，PI具有相当低的介电损耗因子和高的介电击穿强度，但其相对较低的介电常数导致其储能密度低，极大地限制了其在高温介电储能领域的应用。

一般而言，为了提高PI的介电常数，在基体中引入高介电常数的陶瓷纳米填料，如钛酸钡（BT）、二氧化钛（TiO₂）、钛酸锶钡（Ba_1-xSr_xTiO₃）等，是目前最常用且有效的方法。Dang等人通过原位聚合制备了BT/PI纳米复合材料薄膜，含40vol%BT纳米颗粒的复合薄膜介电常数提升到20，介电击穿强度仅为67kV/mm。(Z.M. Dang, Y.Q. Lin, H.P. Xu, C.Y.Shi, S.T. Li, J.B. Bai, Adv. Funct. Mater. (2008) 18, 1509-1517)。他们还报道了一种具有高介电常数(49.1)和良好热稳定性的钛酸铜钙(CCTO)/PI杂化膜。(Z.M. Dang,T. Zhou, S.H. Yao, J.K. Yuan, J.W. Zha, H.T. Song, J.Y. Li, Q. Chen, W.T.Yang, J.B. Bai. Adv. Mater. (2009) 21, 2077-2082)。拜尔等人将Ba_0.7Sr_0.3TiO₃纳米晶与PAA共混，采用原位聚合法制备的复合材料表现出显著提高的介电常数。(C.W. Beier,J.M. Sanders, R.L. Brutchey, J. Phys. Chem. C (2013) 117, 6958-6965)。直接向PI中引入陶瓷纳米颗粒，虽然可有效地提升PI基复合材料的介电常数，但因纳米颗粒之间易团聚，在PI基体中不易分散均匀，并且引入界面等问题，将大大降低PI的介电击穿强度。