一种ABS基陶瓷纳米粒子复合材料在高温下作为储能材料的应用

一种abs基陶瓷纳米粒子复合材料在高温下作为储能材料的应用
技术领域
1.本发明属于储能材料技术领域，具体涉及了一种abs基陶瓷纳米粒子复合材料在高温下作为储能材料的应用。


背景技术：

2.电容器作为电子电路中最基本的元器件之一，被广泛的应用于消费电子产品，电动汽车，新能源，油气勘探与航空航天等诸多领域。而电容器按介质材料可以分为聚合物薄膜电容、陶瓷电容、云母电容和铝/钽/铌等的电解电容，其中的聚合物薄膜电容器具有较好的稳定性，较高的击穿场强，较小的介电损耗，循环寿命长等许多优势，因此在对稳定性和安全性要求较高的领域，聚合物薄膜电容器相对其他类型的电容器具有明显优势。
3.然而聚合物薄膜电容器存在高温性能差的缺点。例如，目前商业化最成功的电容器薄膜材料之一的bopp，他在短期运行中的最高使用温度《105℃，长期运行温度《85℃，且温度升高至85℃以上时，bopp中出现显著的电导损耗，放电效率和能量密度等性能下降。存在诸多应用领域与bopp的工作温度不匹配，如混合动力汽车的功率逆变器包含大量的电容器，而逆变器周围温度可达140℃，此时温度下的bopp出现显著的性能下降。并且近年来随着高温薄膜电容的应用需求日益增加，亟需开发耐高温的聚合物薄膜电容器。
4.为了获得耐高温且更高性能的复合材料，关键在于材料的选择和制备方式。从聚合物而言，其存在击穿场强高，但介电常数低的特点，并且许多材料的加工工艺和成本使其不适合规模制备，目前应用比较广泛的高温聚合物电介质材料主要有聚酰亚胺(pi)、聚醚酰亚胺(pei)、聚四氟乙烯(ptfe)、芳香族聚脲(arpu)等。而陶瓷粒子本身耐高温性能较强，介电常数高，但击穿强度较低。所以两者复合后可以满足耐高温的同时，保持较为稳定的性能。


技术实现要素：

5.为了解决现有复合材料在高温下性能难以保持的技术问题，本发明提供了一种在高温下仍具有高储能密度，低介电损耗，且稳定抗疲劳的复合材料。
6.本发明使用一种abs基陶瓷纳米粒子复合材料在80℃～120℃的高温环境下作为储能材料；经验证，abs基陶瓷纳米粒子复合材料在80℃～120℃的高温环境下具有接近于室温下的稳定储能性能。
7.作为优选，所述的abs基陶瓷纳米粒子复合材料通过abs基体上负载陶瓷纳米粒子得到。
8.作为优选，所述的陶瓷纳米粒子选择二维片状的bi3ti4o
12
粒子。
9.作为优选，所述的陶瓷纳米粒子在abs基的陶瓷纳米粒子复合材料中的质量分数为 1～7wt％。
10.作为优选，所述的陶瓷纳米粒子在abs基的陶瓷纳米粒子复合材料中的质量分数
为 3wt％。
11.作为优选，该abs基陶瓷纳米粒子复合材料呈厚度为5μm～30μm的薄膜状。
12.作为优选，该abs基陶瓷纳米粒子复合材料的表面镀有金电极层，金电极层的厚度为 10nm～1000nm。
13.该abs基的陶瓷纳米粒子复合材料的制备方法如下：
14.首先，将聚合物基体与填充纳米粒子按特定的质量分数进行溶液共混，分散后得到均匀的悬浮液；所述的填充粒子采用的二维片状纳米粒子；从悬浮液中取一定量均匀涂抹于载玻片后通过旋涂法复合成膜；最后将干燥所得的膜经过淬火处理，得到薄膜状的复合材料。
15.本发明具有的有益效果是：
16.(1)本发明使用abs基陶瓷纳米粒子复合材料在80℃～120℃的高温环境下下作为储能材料使用；经验证，含有3wt％陶瓷纳米粒子的该复合材料在120℃温度、450mv/m 的电场强度下能够达到了9.121j/cm3的储能密度，效率保持在86.2％；可见，abs基陶瓷纳米粒子复合材料在120℃下依然具有优良的储能性能，可以在高温环境中用作储能材料。
17.(2)本发明选用的abs基陶瓷纳米粒子复合材料相比于纯abs聚合物基体，在120℃高温环境中，可释放密度提高了30％左右，击穿场强略微存在下降，但依然大于300mv/m，储能效率保持在较高水平，从而保持了其高温情况下的储能性能(》6j/cm3)。同时，实验证明这种纳米粒子填充abs聚合物所得的复合薄膜相比纯的abs聚合物在高温下，具有更高的击穿场强、较大的储能密度、较高的介电常数以及较低的介电损耗。
18.(3)相对常温20℃而言，80℃～120℃的高温下，abs基陶瓷纳米粒子复合材料的可释放密度仅下降10％～40％，储能效率下降5％～10％左右。整体而言，其在高温情况下的储能性能与常温条件下的储能性能基本保持一致。在105次循环充放电的疲劳测试后，abs 基陶瓷纳米粒子复合材料在80～120℃下的性能对比前后并无明显性能下降，说明复合薄膜在高温情况下仍较为稳定，可广泛的应用于需求耐高温且稳定的应用场景。
附图说明
19.图1a为本发明中二维片状钛酸铋纳米粒子的扫描电镜图。
20.图1b为本发明中二维片状钛酸铋纳米粒子嵌套在abs基体中的截面的扫描电镜图。
21.图2为本发明在高温120
°
情况下，abs/bi3ti4o
12
复合材料与纯abs基体储能密度和效率随电场变化的对比图
22.图3a为本发明在常温20℃下实施例制备的abs/bi3ti4o
12
复合材料薄膜样品的电滞回线图。
23.图3b为本发明在高温80℃下实施例制备的abs/bi3ti4o
12
复合材料薄膜样品的电滞回线图。
24.图3c为本发明在高温100℃下实施例制备的abs/bi3ti4o
12
复合材料薄膜样品的电滞回线图。
25.图3d为本发明在高温120℃下实施例制备的abs/bi3ti4o
12
复合材料薄膜样品的电滞回线图。
26.图4a为本发明abs/bi3ti4o
12
复合材料分别在20℃，80℃，100℃，120℃情况下储能密度随电场变化的对比图。
27.图4b为本发明abs/bi3ti4o
12
复合材料分别在20℃，80℃，100℃，120℃情况下储能效率随电场变化的对比图。
28.图5a为本发明abs/bi3ti4o
12
复合材料20℃下，进行105次充放电循环前后电滞回线的对比图。
29.图5b为本发明abs/bi3ti4o
12
复合材料20℃下，进行105次充放电循环前后漏电流的大小对比图。
30.图5c为本发明abs/bi3ti4o
12
复合材料20℃下，进行105次充放电循环过程中储能与效率的变化对比图。
31.图6a为本发明abs/bi3ti4o
12
复合材料80℃下，进行105次充放电循环前后电滞回线的对比图。
32.图6b为本发明abs/bi3ti4o
12
复合材料80℃下，进行105次充放电循环前后漏电流的大小对比图。
33.图6c为本发明abs/bi3ti4o
12
复合材料80℃下，进行105次充放电循环过程中储能与效率的变化对比图。
34.图7a为本发明abs/bi3ti4o
12
复合材料100℃下，进行105次充放电循环前后电滞回线的对比图。
35.图7b为本发明abs/bi3ti4o
12
复合材料100℃下，进行105次充放电循环前后漏电流的大小对比图。
36.图7c为本发明abs/bi3ti4o
12
复合材料100℃下，进行105次充放电循环过程中储能与效率的变化对比图。
37.图8a为本发明abs/bi3ti4o
12
复合材料120℃下，进行105次充放电循环前后电滞回线的对比图。
38.图8b为本发明abs/bi3ti4o
12
复合材料120℃下，进行105次充放电循环前后漏电流的大小对比图。
39.图8c为本发明abs/bi3ti4o
12
复合材料120℃下，进行105次充放电循环过程中储能与效率的变化对比图。
具体实施方式
40.以下结合附图对本发明作进一步说明。
41.一种耐高温的abs基的陶瓷纳米粒子复合材料，包括聚合物基体和分散在聚合物基体中的二维片状bi3ti4o
12
纳米粒子。聚合物基体采用由丙烯腈(acrylonitrile)、1,3-丁二烯 (butadiene)、苯乙烯(styrene)三种单体的接枝共聚物——abs聚合物。填充粒子为二维片状钛酸铋(bi3ti4o
12
)。
42.该abs基的陶瓷纳米粒子复合材料的具体制备方法如下：
43.(1)称取8gabs聚合物加入到200ml有机溶液中，采用磁力搅拌机搅拌24h～48h 至聚合物完全溶解，得到均匀透明的4g/100ml的abs溶液。称取0.012g的bi3ti4o
12
纳米粒子加入到10ml所得的abs溶液中，充分搅拌与超声分散交替进行各三次，每次0.5h，之后采用超
声探头进行分散0.5h后继续搅拌0.5h～1h，得到分散均匀的abs/bi3ti4o
12
纳米粒子悬浮液。
44.(2)采用胶头滴管取0.5ml～3ml步骤(1)中制备的abs/bi3ti4o
12
纳米粒子悬浮液，均匀涂敷在载玻片上，再放置于匀胶机上进行旋甩得到复合材料薄膜，再放至60℃～80℃加热台干燥1h至有机溶液完全蒸发得到复合薄膜。
45.(3)将步骤(2)中得到的复合材料薄膜在150～250℃的真空环境下加热0.5～5小时，使复合材料中的聚合物基体充分熔融。
46.(4)将步骤(3)得到的熔融物快速浸入冰水混合物中进行淬火热处理，获得经过热处理的复合材料膜，淬火处理温度-50～0℃，淬火时间10～60分钟，取出后干燥12h。
47.(5)将步骤(4)得到的复合材料膜采用全自动离子溅射仪进行溅射电极操作，在复合材料膜表面镀金电极，电极厚度为10nm～1000nm，电极面积为1.57～3.14mm2。最终所得的可用于测试的abs基的陶瓷纳米粒子复合材料中bi3ti4o
12
纳米粒子的质量分数为 3wt％。
48.对实施例1所得的复合材料分别在20℃、80℃、100℃、120℃下进行储能，疲劳等相关的性能测试，具体如下：
49.利用铁电测试仪测试复合材料分别在常温20℃，80℃，100℃和120℃的环境下的电滞回线，如图3a，3b，3c，3d所示，根据电滞回线图计算得到复合材料的各项性能参数。不同温度下abs/bi3ti4o
12
复合材料的储能密度和储能效率如图4a和4b所示，可以看出此时，复合材料在高温80℃，100℃和120℃情况下，储能密度相差不大，在450mv/m的电场强度下分别达到了11.16j/cm3，10.34j/cm3，9.121j/cm3的储能密度，对比常温情况下的储能密度16.17j/cm3，可释放密度下降仅40％，高温下的储能效率也仍还保持在80％以上，在450mv/m的电场强度下相比常温20℃仅下降约5％，这说明在高温下该复合材料仍保持较高的性能。如图2所示，3wt％质量分数的bi3ti4o
12
添加后的abs复合材料和纯的abs 聚合物在相同高温120℃的情况下，复合材料储能密度提高约20％～40％，储能效率提高 10％左右，性能提升较大。
50.利用铁电测试仪模拟测试复合材料疲劳的情况，分别在20℃、80℃、100℃、120℃下测试循环充放电105次前后对比的性能参数，如图5a，6a，7a，8a所示，不同温度下的复合材料在经过多次充放电后，在200mv/m情况下的前后电滞回线几乎保持一致，最大极化值和剩余极化值等都没有较大的波动。如图5c，6c，7c，8c所示，充放电过程中，不同温度下的复合材料的储能密度一直稳定保持在0.2j/cm3的范围内波动，20℃时，储能密度保持在2.5～2.6j/cm3之间波动，80℃时保持在2.2～2.4j/cm3之间波动，100℃时保持在 2.3～2.4j/cm3之间波动，120℃时保持在1.7～1.8j/cm3之间波动；且效率在20℃，80℃， 100℃和120℃下，电场强度为200mv/m时分别保持在94％，93％，95％，94％，在充放电过程中效率在1～3％的范围波动，性能较为稳定；且由图5b，6b，7b，8b可知，在循环前后，复合材料的漏电流情况几乎保持一致，这说明abs基和bi3ti4o
12
的复合材料在高温情况下的仍非常稳定，即使在多次充放电后仍保持在一个较为稳定的性能水平。