一种低填充高储能柔性电介质材料及制备方法

本发明属于聚合物储能电介质领域，公开了一种低填充高储能柔性电介质材料及其制备方法。

背景技术：

1、聚合物基电介质材料因其固有的耐击穿、低损耗、柔韧质轻和优异的加工性能，被认为是制备介质电容器的潜在候选材料。随着电子器件小型化、轻量化、集成化的发展，亟需开发具有更高储能密度、更高充放电效率，以及更长循环稳定的聚合物电介质材料，以满足各类极端工况的要求。如高场下电介质材料中的空间电荷积累会引起局部放电和漏电流，电子器件的高度集成化不可避免地伴随着高功率损耗和热量积累，严重影响介质电容器的储能特性和使用寿命。向聚合物基体中添加宽带隙、高导热性纳米填料(如氮化硼bn，al2o3，sio2)可有效抑制漏电流，增强介质储能特性和导热系数。然而，传统纳米填料与聚合物基体间相容性较差，高填充量填料也会导致聚合物内部产生缺陷，降低材料柔性和机械强度，劣化电介质材料的储能密度和电气性能。因此，开发超低填充量、高击穿强度、高储能密度和高导热率的柔性聚合物电介质材料对于实现电气设备高热稳定性以及长寿命具有重要意义。

2、为了达到上述目的，常用的方法是对填料进行界面改性、多尺度分子结构设计、复合多层膜结构设计。查俊伟等在pi外侧引入氮化硼纳米片(bnns)层制备了bnns/pi复合薄膜。在室温下，bnns/pi复合薄膜的击穿强度最高可达591kv/mm，较纯pi(448kv/mm)提高了43％，储能密度是纯pi的2倍。潘仲彬等在pei中引入核壳结构的bnns@al2o3纳米填料，当填料含量为3vol％时，bnns@al2o3/pei的储能密度(12.45j/cm3)是纯pei的3.6倍。这些策略在一定程度上提升了介质的击穿强度和储能密度，但制备工艺较为复杂、填料填充量大，不可避免引入缺陷，难以兼顾材料介电常数与击穿强度、击穿强度与导热性能、聚合物本身柔性与强度之间的矛盾关系，储能密度和效率提升有限。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种低填充高储能柔性电介质材料及其制备方法。

2、本发明为解决上述问题所提供的技术方案为：一种低填充高储能柔性电介质材料，由聚合物基体和氮化硼量子点组成，其中氮化硼量子点的用量占比<2wt％(优选的，用量占比为0.04wt％)。

3、进一步的，所述聚合物为热塑性的聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚醚醚酮、聚偏氟乙烯及其共聚物，以及热固性的聚酰亚胺、环氧树脂、聚氨酯、聚醚酰亚胺的一种或几种。

4、一种低填充高储能柔性电介质材料的制备方法，步骤如下：

5、s1、通过溶剂热法或离子插层法或微波辐照法原位生成氮化硼量子点；

6、s2、将聚合物单体或聚合物溶液或聚合物粒子与氮化硼量子点复合，通过超声或密炼混合均匀；

7、s3、利用旋涂、刮涂或模压工艺制备复合薄膜。

8、本发明具有如下有益效果：

9、(1)制备工艺简单，通过简单的溶剂热法合成出在不同有机溶剂中分散良好的氮化硼量子点；通过原位引入聚合物实现两者均匀分散。

10、(2)柔性好、强度高。在极低填充量下即可获得击穿、储能性能的显著提升，维持了聚合物基体的柔韧性。

11、(3)兼顾储能密度、效率与导热性。氮化硼量子点的库伦阻塞效应可有效捕获电子、阻碍载流子传输，有利于击穿强度和储能特性的提升。

技术特征：

1.一种低填充高储能柔性电介质材料，其特征在于，由聚合物基体和氮化硼量子点组成，其中氮化硼量子点的用量占比<2wt％(优选的，用量占比为0.04wt％)。

2.如权利要求1所述的低填充高储能柔性电介质材料，其特征在于，所述聚合物为热塑性的聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚醚醚酮、聚偏氟乙烯及其共聚物，以及热固性的聚酰亚胺、环氧树脂、聚氨酯、聚醚酰亚胺的一种或几种。

3.一种如权利要求1或2所述的低填充高储能柔性电介质材料的制备方法，其特征在于，步骤如下：

技术总结本发明公开了一种低填充高储能柔性电介质材料，该低填充高储能柔性电介质材料由>98.00wt％的聚合物基体和<2wt％的氮化硼量子点组成。其制备方法为将氮化硼量子点引入到聚合物单体或聚合物溶液或聚合物粒子中，混合均匀后，通过旋涂、刮涂或模压工艺制备复合薄膜。宽带隙氮化硼量子点在聚合物内构筑了大量的深陷阱，有效捕获了电子；其纳米库伦阻塞效应进一步阻碍了载流子传输，显著提升了介质的击穿强度。最终，极低的填充量下，获得了具有较大储能密度和效率的电介质材料，大幅提升了聚合物电介质材料的使用寿命和循环稳定性，其强度、柔韧性和导热性能也同步提升。该制备方法工艺简单、成本低廉、可设计性强，可广泛应用于薄膜电容和埋容器件中。技术研发人员：李玉超,李雨凡,张冬梅,邵强,许艳锋受保护的技术使用者：聊城大学技术研发日：技术公布日：2025/1/14