[发明专利]一种电介质薄膜介电性能调控方法

说明书

本发明公开了一种电介质薄膜介电性能调控方法，该方法首先制备聚多巴胺包覆钛酸钡核壳结构颗粒；进一步在惰性气体下高温煅烧核壳结构颗粒，使壳层聚多巴胺碳化形成碳包覆层；最后将碳包覆的钛酸钡杂化颗粒与P(VDF‑CTFE)基体复合得到电介质薄膜。该方法通过引入不同电导率界面层，产生不同程度的界面极化效应，在低的填料添加量下提高了介电常数，同时保持较低的介电损耗，工艺简单，成本低廉，易于实现。

技术领域

本发明属于电介质材料制备技术领域，具体涉及一种电介质薄膜介电性能调控方法。

背景技术

随着信息行业的快速发展，电子设备逐步趋向于小型化、轻量化，这就对设备内部储能器件提出了更高的体积和性能要求。电介质电容器以其具备充放电速率快、功率密度大和电压耐受性强等优点能够很好地贴合未来储能电容器的需求。然而，其储能密度较小，限制了电介质电容器在电子设备快速发展环境下的进一步应用，因此，提升电介质电容器的储能密度成为现在亟需解决的问题。

通常，电介质电容器的储能密度可以由公式概括：其中，U_e为储能密度，ε₀是真空介电常数，为定值，ε_r为电介质电容器的介电常数，E_b为击穿场强，可以看出，电介质的介电常数和击穿场强是影响储能密度的关键因素，传统的电介质材料主要包括陶瓷材料和有机聚合物，陶瓷材料虽然具有很高的介电常数，但难加工、柔韧性差、击穿场强低；有机聚合物易加工、成本低、韧性好、击穿场强高，但介电常数低，因此出现了以聚合物为基体，填充陶瓷颗粒的聚合物基复合介电材料，其能够有效地结合陶瓷颗粒高介电常数和聚合物高击穿场强的优势，然而，往往需要较高的填充量，会造成聚合物基底击穿场强和柔韧性的下降，另外，导电填料由于可以引发介电逾渗现象，也被广泛的用于改善基体介电性能，当填料含量接近逾渗阈值时，介电常数会陡增，但也会伴随着损耗增加的问题。因此，开发一种添加量少且损耗低的介电性能调控方法成为目前需要解决的问题。

冯晓军等[多巴胺改性BaTiO₃对BaTiO₃/PVDF复合材料击穿场强的影响.复合材料学报,第32卷第3期，2015年6月]采用多巴胺对BaTiO₃进行表面改性处理，制得多巴胺改性的BaTiO₃。然后，将其与聚偏氟乙烯(PVDF)混合，采用溶液浇铸法制备了具有高击穿场强的Dopa＠BaTiO₃/PVDF复合材料。但是该复合材料介电常数较低。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种电介质薄膜介电性能调控方法，通过调节填料和基体界面层电导率，引发不用程度的界面极化效应，在低填料含量下提高介电常数，同时保持低的介电损耗。

本发明具体采用如下技术方案：

一种电介质薄膜介电性能调控方法，按照如下步骤进行：

(1)首先将钛酸钡颗粒置于乙醇中室温超声30-120min并烘干，获得羟基化钛酸钡颗粒；配置Tris-HCl缓冲溶液，其中pH为8-9，浓度为5-10mmol/L，进一步加入盐酸多巴胺获得聚多巴胺前驱液，所述聚多巴胺前驱液中盐酸多巴胺的浓度为1-3mg/ml；将羟基化钛酸钡颗粒加入聚多巴胺前驱液加热搅拌，其中羟基化钛酸钡颗粒与盐酸多巴胺的投料质量比为40-60：1，并控制温度为50-70℃，搅拌时间为10-12h；最后通过去离子水洗涤去除过量聚多巴胺得到聚多巴胺包覆钛酸钡核壳结构颗粒；

(2)在惰性气体下于500-700℃高温煅烧聚多巴胺包覆钛酸钡核壳结构颗粒，将壳层聚多巴胺碳化形成含有不同石墨碳含量的碳包覆层，得到碳包覆的钛酸钡杂化颗粒；

(3)通过溶液浇铸法将碳包覆的钛酸钡杂化颗粒与P(VDF-CTFE)基体复合得到电介质薄膜，其中碳包覆的钛酸钡杂化颗粒的质量分数为0.9vol％-2.5vol％。

优选地，步骤(1)中，所述羟基化钛酸钡颗粒与盐酸多巴胺的投料质量比为50：1。