一种复合电介质薄膜及其制备方法与应用

本发明属于介电材料，具体涉及一种复合电介质薄膜及其制备方法与应用。背景技术：1、聚合物电介质薄膜目前已经广泛应用于医用除颤设备、柔性电子器件、脉冲功率系统等领域，占据全球50％以上的高压电容器市场。随着混合电动汽车、油气勘探技术、航天电力系统的发展及应用环境的复杂化，对聚合物电介质电容器的极限使用温度提出更高要求(>150℃)。目前商用聚合物电介质薄膜主要为双向拉伸聚丙烯(bopp)，bopp的热学稳定性欠佳，当温度超过85℃后，放电能量密度和充放电效率迅速下降，无法满足更高温度的应用要求。2、中国专利cn116063717a基于纤维素纳米纤维制备了电介质薄膜，由于纤维纳米纤维表面丰富的极性基团以及较高的击穿强度，所制备的纤维素纳米纤维电介质薄膜在室温下具有出色的储能特性，但其在高温(>120℃)下电导损耗增加明显，引起其储能特性迅速下降。中国专利cn108285540a采用去质子化法制备了芳纶纳米水溶液，随后制备了芳纶纳米纤维纸，其具有高断裂强度、高抗撕裂强度以及出色的高温稳定性。但由于芳纶纳米纤维纸表面较高的粗糙度，导致空间电荷在芳纶纳米纤维纸表面凹槽处聚集，引发电击穿。因此，所制备的芳纶纳米纤维纸的击穿强度较低(<100mv/m)，无法满足电介质薄膜的应用需求。3、对于聚合物电介质薄膜，其在高温环境中储能特性的显著下降可归因于内部漏电流引起的高电导损耗。在高温环境中，聚合物电介质薄膜内部价带电子热激发形成载流子(poole-frenkel发射机制、跳跃电导机制)以及电极中的电子吸收能量越过电介质/电极处的界面势垒(肖特基发射机制)进入电介质形成高电导损耗。因此，如何有效抑制高温环境中的漏电流密度对于聚合物电介质薄膜的高温储能特性至关重要。基于上述问题，亟需开发高温下具有高放电能量密度和高充放电效率的复合电介质薄膜。技术实现思路1、本发明的目的之一在于提供一种复合电介质薄膜，具有高温稳定性、高机械强度、高击穿强度、低电导损耗等性能。2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：3、一种复合电介质薄膜，所述复合电介质薄膜包括三层，中间层为芳纶纳米纤维薄膜，芳纶纳米纤维薄膜上、下表面均为聚酰亚胺层；所述聚酰亚胺层的厚度为50～500nm；所述芳纶纳米纤维薄膜的厚度为10μm～20μm。4、本发明的目的之二在于提供一种复合电介质薄膜的制备方法，该制备方法简单、易于生产与实践。5、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：6、上述复合电介质薄膜的制备方法，包括以下步骤：将芳纶纳米纤维薄膜置于聚酰亚胺溶液中，经浸渍提拉、热压制得多层复合电介质薄膜。7、进一步地，所述聚酰亚胺溶液的质量分数为1％～10％。8、进一步地，所述浸渍提拉具体是：将芳纶纳米纤维薄膜从浸渍于聚酰亚胺溶液中30s～150s，垂直提出，垂直静置30s～120s后再次浸渍至上述聚酰亚胺溶液中，重复上述过程1～5次。9、进一步地，所述芳纶纳米纤维薄膜的制备过程为：利用去质子化法，以芳纶短纤为原料制备芳纶纳米纤维，经溶剂交换、抽滤制得芳纶纳米纤维薄膜。10、进一步地，所述芳纶纳米纤维的制备过程具体是：将芳纶短纤分散于氢氧化钾溶液中，超声处理8h～72h；所述氢氧化钾溶液的溶剂为水和二甲基亚砜。11、进一步地，所述芳纶短纤与氢氧化钾的质量比为1:(1～5)；所述水与二甲基亚砜的质量比为1：(24～39)；所述芳纶短纤为对位芳纶纤维。12、进一步地，所述热压的时间为5min～30min，压力为5mpa～15mpa，温度为80℃～150℃。13、本发明的目的之三在于提供一种复合电介质薄膜的应用。14、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：15、上述复合电介质薄膜的应用，将所述复合电介质薄膜应用于制备电介质电容器。16、本发明与现有技术相比，其有益效果为：17、(1)本发明复合电介质薄膜的结构为：聚酰亚胺层-芳纶纳米纤维薄膜层-聚酰亚胺层的三明治结构。芳纶纳米纤维薄膜上、下表面的聚酰亚胺能够显著降低芳纶纳米纤维薄膜的表面粗糙度，降低电子在凹槽处的聚集，避免了电树枝的形成和发展。此外，聚酰亚胺层的电子与芳纶纳米纤维薄膜的空穴在库仑力的作用形成电子-空穴对，并作为电子陷阱捕获空间电荷，从而降低多层复合电介质薄膜内部的漏电流密度。18、(2)本发明复合电介质薄膜具有低表面粗糙度、低漏电流密度和高击穿强度、高介电常数等性能，能够满足高温、高电场等复杂环境对电介质薄膜储能特性的应用要求。19、(3)本发明复合电介质薄膜的制备方法简单，成本可控，可大规模生产，应用前景广阔。技术特征：1.一种复合电介质薄膜，其特征在于，所述复合电介质薄膜包括三层，中间层为芳纶纳米纤维薄膜，芳纶纳米纤维薄膜上、下表面均为聚酰亚胺层；所述聚酰亚胺层的厚度为50～500nm；所述芳纶纳米纤维薄膜的厚度为10μm～20μm。2.如权利要求1所述复合电介质薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将芳纶纳米纤维薄膜置于聚酰亚胺溶液中，经浸渍提拉、热压制得复合电介质薄膜。3.如权利要求2所述复合电介质薄膜的制备方法，其特征在于，所述聚酰亚胺溶液的质量分数为1％～10％。4.如权利要求2所述复合电介质薄膜的制备方法，其特征在于，所述浸渍提拉具体是：将芳纶纳米纤维薄膜浸渍于聚酰亚胺溶液中30s～150s，垂直提出，垂直静置30s～120s后再次浸渍至上述聚酰亚胺溶液中，重复上述过程1～5次。5.如权利要求2所述复合电介质薄膜的制备方法，其特征在于，所述芳纶纳米纤维薄膜的制备过程为：利用去质子化法，以芳纶短纤为原料制备芳纶纳米纤维，经溶剂交换、抽滤制得芳纶纳米纤维薄膜。6.如权利要求5所述复合电介质薄膜的制备方法，其特征在于，所述芳纶纳米纤维的制备过程具体是：将芳纶短纤分散于氢氧化钾溶液中，超声处理8h～72h；所述氢氧化钾溶液的溶剂为水和二甲基亚砜。7.如权利要求6所述复合电介质薄膜的制备方法，其特征在于，所述芳纶短纤与氢氧化钾的质量比为1:(1～5)；所述水与二甲基亚砜的质量比为1：(24～39)；所述芳纶短纤为对位芳纶纤维。8.如权利要求2所述复合电介质薄膜的制备方法，其特征在于，所述热压的时间为5min～30min，压力为5mpa～15mpa，温度为80℃～150℃。9.如权利要求1所述复合电介质薄膜的应用，其特征在于，将所述复合电介质薄膜应用于制备电介质电容器。技术总结本发明属于介电材料技术领域，具体涉及一种复合电介质薄膜及其制备方法与应用。该复合电介质薄膜包括三层，中间层为芳纶纳米纤维薄膜，芳纶纳米纤维薄膜上、下表面均为聚酰亚胺层。复合电介质薄膜聚酰亚胺层的厚度为50～500nm，中间层芳纶纳米纤维薄膜的厚度为10μm～20μm。本发明的复合电介质薄膜具有低表面粗糙度、低漏电流密度和高击穿强度、高介电常数等性能，能够满足高温、高电场等复杂环境对电介质薄膜储能特性的要求，应用前景广阔。技术研发人员：段广宇,胡凤英,王亚兵,薛纳英,卢夺,张嘉森受保护的技术使用者：河南工程学院技术研发日：技术公布日：2024/7/29