一种聚碳酸酯介质薄膜及其制备方法和应用

本发明属于聚合物电介质薄膜，具体涉及一种聚碳酸酯介质薄膜及其制备方法和应用。

背景技术：

1、凭借快速充放电特性和优异的功率密度，电介质电容器已成为脉冲功率系统中的核心元器件。作为电容器的关键组成部分，电介质材料的储能特性直接决定了电容器的整体性能。电介质的相对介电常数与耐击穿电场是影响其储能特性的重要参数，同步提升二者是实现高储能密度的关键。

2、相较于传统无机陶瓷介质，聚合物电介质兼具高击穿场强、低介电损耗、质量轻和易加工的优势，是理想的柔性储能基体材料。其中，聚碳酸酯（pc）作为一种综合性能优异的工程热塑性聚合物，具有出色的耐热性，玻璃化转变温度高，且其主链中的高极性羰基使其在中高温电介质储能领域展现出巨大应用前景。

3、然而，聚碳酸酯作为典型的线性聚合物，其分子链结构主要呈无定形状态，内部极性基团的取向极化能力有限，导致材料的介电常数相对较低。同时，在高温和高电场环境下，热激发作用会增强介质内部载流子的迁移，使电导损耗增加，并进一步降低材料的击穿强度和储能效率。因此，如何在增强聚碳酸酯介质极化能力的同时，有效限制载流子输运，是提升其高温储能性能需要解决的关键问题。

4、针对上述问题，现有技术通常采用结构调控或复合改性方式改善聚碳酸酯的电介质性能，抑制介质内部电荷输运。例如，通过向聚碳酸酯基体中引入高介电常数无机填料，利用无机相与聚合物相之间形成的界面效应增强界面极化，从而提高材料的介电响应能力；但是，在上述复合改性过程中，无机填料与聚碳酸酯基体在表面能、热膨胀系数和化学极性上存在显著差异，导致界面相容性差，成膜或服役过程中易产生界面脱粘、纳米空隙和微裂纹等物理缺陷，这些缺陷成为载流子优先传输的通道，使击穿强度下降。

5、此外，现有研究还通过构筑多层聚合物结构，使不同功能层之间形成空间电荷调控区域，以改善材料的介电性能。然而，对于上述多层聚合物结构而言，异质聚合物层间的热力学不相容性和界面结合力弱，容易引发层间分层和热循环起泡等问题，难以保障高温运行的可靠性和储能性能。

6、因此，现有聚碳酸酯电介质的改性方法仍难以实现介电极化增强、低损耗以及高击穿强度之间的协同优化，制约了聚碳酸酯电介质高温储能性能的进一步提升。

技术实现思路

1、为了解决现有的聚碳酸酯电介质改性方法仍难以实现介电极化增强、低损耗以及高击穿强度之间的协同优化，导致聚碳酸酯电介质的高温储能性能不佳的技术问题。本发明提供一种能够从根源上避免异质界面缺陷，并协同提升介电常数与击穿场强的聚碳酸酯介质薄膜及其制备方法。

2、本发明基于单溶质和双溶剂体系构筑类冰裂纹同质微界面结构的聚碳酸酯介质薄膜。通过将聚碳酸酯溶解于n-甲基吡咯烷酮与四氢呋喃形成的混合溶剂体系中，利用梯度加热以及n-甲基吡咯烷酮与四氢呋喃在极性与挥发动力学差异，以在成膜过程中调控聚碳酸酯分子链的排布。挥发性强、弱极性的四氢呋喃与挥发性慢、强极性的n-甲基吡咯烷酮协同作用，在混合溶剂挥发过程中诱导聚碳酸酯分子链由顺式-顺式构象向顺式-反式构象转变，并在薄膜内部构筑出均匀致密的类冰裂纹同质微界面结构。该同质微界面结构通过界面电荷陷阱有效抑制载流子输运并增强界面极化，从而协同提升薄膜的介电常数与击穿场强，最终获得优异的高温储能特性。

3、本发明提供一种聚碳酸酯介质薄膜的制备方法，包括以下步骤：

4、将聚碳酸酯溶解于n-甲基吡咯烷酮与四氢呋喃的混合溶剂中，然后涂覆于基板表面进行梯度加热，诱导聚碳酸酯分子链由顺式-顺式构象向顺式-反式构象转变，形成类冰裂纹同质微界面结构，得到聚碳酸酯介质薄膜；在40℃～70℃保温2小时～5小时；随后升温至75℃～100℃，保温1小时～5小时；再升温至110℃～130℃，保温2小时～4小时。

5、优选的，梯度加热的方式是：在60℃保温4小时；随后升温至80℃，保温2小时；再升温至120℃，保温2小时。

6、优选的，聚碳酸酯与混合溶剂的用量比1g～2g：10ml。

7、优选的，n-甲基吡咯烷酮与四氢呋喃的体积比为2：1～4。更优选的，n-甲基吡咯烷酮与四氢呋喃的体积比为1：1。当n-甲基吡咯烷酮与四氢呋喃的体积比为1：1时，所构筑的类冰裂纹同质微界面数量更多、分布更为均匀致密，对载流子输运的抑制效果最佳，使得聚碳酸酯介质薄膜的综合储能性能最优。

8、优选的，当n-甲基吡咯烷酮与四氢呋喃的体积比为1：1时，聚碳酸酯介质薄膜在室温下的击穿场强为611.5mv/m以上，放电能量密度为6.84j/cm3，充放电效率高达94.6%；在150℃下的击穿场强为553.5mv/m，放电能量密度为5.61j/cm3，充放电效率为86.5%。

9、更优选的，梯度加热的方式是：在60℃保温4小时；随后升温至80℃，保温2小时；再升温至120℃，保温2小时～4小时。本发明采用梯度加热的方式以精确控制溶剂的挥发速率和分子链的弛豫时间。

10、本发明提供一种聚碳酸酯介质薄膜。聚碳酸酯介质薄膜内部形成有由聚碳酸酯分子链的不同构象区域所构成的同质微界面结构，该结构赋予聚碳酸酯介质薄膜在室温至150℃范围内兼具高击穿场强、高放电能量密度和高充放电效率的特性。

11、优选的，聚碳酸酯介质薄膜在100hz频率下的室温相对介电常数为3.4～3.7。

12、本发明提供一种聚碳酸酯介质薄膜作为电介质在电容器中的应用。

13、与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

14、本发明是以聚碳酸酯作为溶质，n-甲基吡咯烷酮与四氢呋喃作为混合溶剂，将聚碳酸酯溶解于混合溶剂体系中，利用n-甲基吡咯烷酮与四氢呋喃在极性与挥发动力学差异，以在成膜过程中调控聚碳酸酯分子链的排布，诱导聚碳酸酯分子链由顺式-顺式构象向顺式-反式构象转变，并在薄膜内部构建了均匀致密的类冰裂纹同质微界面结构。本发明通过n-甲基吡咯烷酮与四氢呋喃的协同调控，利用n-甲基吡咯烷酮的强极性诱导聚碳酸酯分子链充分舒展，增强了本征偶极极化；同时，所形成的均匀致密同质界面作为电荷陷阱，在增强界面极化提升介电常数的同时，有效抑制了载流子输运，大幅提高了击穿场强；解决了现有的聚碳酸酯电介质改性方法仍难以实现介电极化增强、低损耗以及高击穿强度之间的协同优化。

15、本发明的聚碳酸酯介质薄膜在高温下展现出优异的击穿场强保持率和储能密度。聚碳酸酯介质薄膜在150℃下，击穿场强为553.5mv/m，放电能量密度可达5.61j/cm3，充放电效率维持在86.5%，综合性能显著优于现有纯溶剂或异质复合体系制备的聚碳酸酯薄膜。

1.一种聚碳酸酯介质薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的聚碳酸酯介质薄膜的制备方法，其特征在于，梯度加热的方式是：在60℃保温4小时；随后升温至80℃，保温2小时；再升温至120℃，保温2小时。

3.根据权利要求1所述的聚碳酸酯介质薄膜的制备方法，其特征在于，聚碳酸酯与混合溶剂的用量比1mg～2mg：10ml。

4.根据权利要求3所述的聚碳酸酯介质薄膜的制备方法，其特征在于，n-甲基吡咯烷酮与四氢呋喃的体积比为2：1～4。

5.根据权利要求4所述的聚碳酸酯介质薄膜的制备方法，其特征在于，n-甲基吡咯烷酮与四氢呋喃的体积比为1：1。

6.一种聚碳酸酯介质薄膜，其特征在于，所述聚碳酸酯介质薄膜是由权利要求1～5任一项所述的聚碳酸酯介质薄膜的制备方法制得。

7.根据权利要求6所述的聚碳酸酯介质薄膜，其特征在于，聚碳酸酯介质薄膜在100hz频率下的室温相对介电常数为3.4～3.7。

8.一种聚碳酸酯介质薄膜作为电介质在电容器中的应用，其特征在于，所述聚碳酸酯介质薄膜是权利要求6所述的聚碳酸酯介质薄膜。