一种柔性多层聚合物基电容器及其制备方法

技术领域

本发明涉及介电电容器技术领域，具体涉及一种柔性多层聚合物基电容器及其制备方法。

背景技术

在先进医疗保健、人机界面和物联网等领域电子产品对外形适应性和界面软性需求的推动下，柔性电子技术的研究进展迅速。而柔性电子产品严重依赖于柔性功能材料。随着支持5G的智能手机的普及以及可穿戴终端等电子设备的多功能化和小型化，对电子电路的小型化和高密度化也提出了进一步的要求。电介质电容器在便携式电子设备、医疗设备、现代智能电网、混合动力汽车等领域中发挥着重要的作用。柔性电容器作为柔性电子元件，主要应用于智能手机、智能手环、可穿戴设备、可折叠屏幕等柔性电子产品中，其基本结构与传统电容器相似，使用柔性材料代替硬质材料制成，使其具备可弯曲、可拉伸、可压缩等特点。

目前柔性介电电容器中，美国通用原子公司研发的柔性电容器的储能密度约3-5J/cm

发明内容

本发明的主要目的是提供一种柔性多层聚合物基电容器及其制备方法，旨在将中等介电常数柔性无机填料和柔性聚合物复合，提高无机组分的相对含量，优化复合材料高热稳定性，保证材料整体的强度和柔韧性，保证材料的高储能性能。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种柔性多层聚合物基电容器的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1，在柔性衬底层上覆盖上第一层内电极；

步骤2，在第一层内电极上覆盖第一层介电薄膜，在第一层介电薄膜上错位覆盖第二层内电极，以此错位叠合多层介电薄膜和内电极，形成柔性多层聚合物基芯片，经过切割磨边露出内部错位的内电极端；

步骤3，在柔性多层聚合物基芯片露出内部错位的内电极端的两端覆盖外电极，制备得到柔性多层聚合物基电容器。

进一步地，步骤1中第一层内电极印刷或溅射于柔性衬底层上。

进一步地，所述内电极是以金属镍、铜、铝任一种为溅射靶材。

进一步地，步骤2的具体做法为：第一层介电薄膜是在第一层内电极上流延烘干所得，在第一层介电薄膜上错位溅射第二层内电极，以此错位叠合多层介电薄膜，100℃-120℃下一次性热处理形成柔性多层聚合物基芯片，经过切割磨边露出内部错位的内电极端。

进一步地，步骤2所述介电膜包括：聚合物基体、玻璃纤维填料；玻璃纤维填料经过表面改性后，充分分散，与聚合物基体混合，流延制备得到玻璃纤维增强聚合物基柔性介电薄膜。

进一步地，步骤3的具体做法为：外电极包括外电极底层、外电极阻挡层和外电极焊接层，在柔性多层聚合物基芯片的两端溅射外电极底层，在外电极底层上溅射外电极阻挡层，在外电极阻挡层上溅射外电极焊接层。

进一步地，外电极底层、外电极阻挡层和外电极焊接层分别为以金属铜、金属镍和金属锡为溅射靶材。

根据上述一种柔性多层聚合物基电容器的制备方法制备得到的柔性多层聚合物基电容器。

与现有技术相比，本发明具有以下有益技术效果：

本发明柔性多层聚合物基电容器包括内电极层、外电极和柔性介电膜，以内电极层和外电极作为导电结构的前提，以柔性介电膜为功能层，构建低成本宽温度范围柔性多层聚合物基电容器，结构新颖，层数可调，产品性能精确控制，产品规格全面，为柔性介电能量存储的结构设计提供了新思路。

本发明柔性多层聚合物基电容器通过柔性介电膜的设置，能够集合无机玻璃纤维填料优点及聚合物高击穿强度及底缺陷的优势，实现了低成本、使用温度低于100℃的宽温度范围、良好机械柔韧性、制备简单，在高的击穿强度下获得较大的介电常数，且介电损耗非常小，有效提升了该电容器的储能性能，且电容值规格易调节，有望为柔性电子行业提供易量产的柔性电容器。该发明不仅性能稳定，工艺过程简单易操作，生产效率高，而且成本低，适于工业化生产。

本发明的低成本宽温度范围柔性多层聚合物基电容器中所述的介电膜，制备方法操作简单、成本低、易于大面积成膜，易量产，储能性能优异，机械柔韧性好，且能精确控制性能特性，有助于实现低成本宽温度范围柔性多层聚合物基电容器更优的性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明一种柔性多层聚合物基电容器的结构示意图；

图2为本发明一种柔性多层聚合物基电容器的制备方法流程示意图；

图3为本发明介电薄膜制备流程示意图；

图4为本发明一种柔性多层聚合物基电容器中介电薄膜扫描电子显微镜图；

图5为本发明一种柔性多层聚合物基电容器中介电薄膜的极化强度-电场图。

图中，1-柔性多层聚合物基芯片，2-内电极，3-外电极焊接层，4-外电极阻挡层，5-外电极底层，6-第一层内电极，7-柔性衬底层，8-第一层介电薄膜，9-外电极，10-介电薄膜。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如图1-2所示，一种柔性多层聚合物基电容器及其制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1，第一层内电极6印刷或溅射于柔性衬底层7上，内电极2是以金属镍、铜、铝任一种为溅射靶材；

步骤2，在第一层内电极6上覆盖第一层介电薄膜8，在第一层介电薄膜8上错位覆盖第二层内电极，以此错位叠合多层介电薄膜10和内电极2，100℃-120℃下一次性热处理形成柔性多层聚合物基芯片1，经过切割磨边露出内部错位的内电极端；

如图3所示，介电膜包括：聚合物基体、玻璃纤维填料；玻璃纤维填料经过表面改性后，充分分散，与聚合物基体混合，流延制备得到玻璃纤维增强聚合物基柔性介电薄膜，聚合物基体为聚偏氟乙烯(PVDF)及其共聚物(如聚氯三氟乙烯-偏氟乙烯共聚物P(TFE-co-VDF)、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物PVDF-HFP等)中的一种；

介电薄膜的制备方法包括：

将玻璃纤维表面改性后，充分分散；

将聚合物充分溶于有机溶剂；

改性后的玻璃纤维和聚合物有机溶液混合，并再次分散玻璃纤维，得到均匀的玻璃纤维复合聚合物基溶剂；

利用流延法制备得到柔性介电薄膜；

烘干，在100-120℃下热处理得到柔性复合介电薄膜。

步骤3，在柔性多层聚合物基芯片1露出内部错位的内电极端的两端覆盖外电极9，制备得到柔性多层聚合物基电容器，外电极9包括外电极底层5、外电极阻挡层4和外电极焊接层3，在柔性多层聚合物基芯片1的两端溅射外电极底层5，在外电极底层5上溅射外电极阻挡层4，在外电极阻挡层4上溅射外电极焊接层3，外电极底层5、外电极阻挡层4和外电极焊接层3分别为以金属铜、金属镍和金属锡为溅射靶材。

本发明中，多层介电薄膜为多层膜结构，此处并不限定多层膜层结构中的层数，根据需要进行设定，例如20层。多层介电薄膜是通过在聚合物基体中加入低含量、中等介电常数的无机填料，同时保持较高的介电强度，是提高复合材料能量密度的一种很有前途的实用方法，这种介质薄膜是能快速转化成电容器的很有前景的方法。所述多层介电薄膜是以具有更高的长径比，更大的偶极矩，更小的比表面积的具有柔性的一维玻璃纤维作为填料，降低表面能，缓解了电场的集中，此外，玻璃纤维作为一维纤维，在击穿过程中，在电树的生长过程中延伸了一条曲折的击穿路径，从而限制了电荷向电极的转移，阻碍了电树的延伸，导致击穿强度的增加。同时，无机填料的添加使得多层介电薄膜的使用温度范围变宽如低于100℃使用，保证材料的整体机械柔韧性，介电薄膜的击穿强度高达3800kV/cm，使介电薄膜机械柔韧性好，使用温度范围宽，储能密度高。

如图4所示，柔性多层聚合物基电容器中所述的介电薄膜的断面扫描电镜图，从图中可以看出，整个结构是以聚合物基体及玻璃纤维组成，玻璃纤维均匀分散于聚合物基体，纤维无聚集现象，且玻璃纤维和聚合物基体界面结合良好。从而表明柔性多层聚合物基电容器中所述的介电膜缺陷较少，且性能好。

如图5所示，柔性多层聚合物基电容器中所述的介电薄膜的极化强度-电场图，明显看出柔性多层聚合物基电容器中所述的介电膜具有非常细的电滞回线，说明其介电损耗非常小，且其击穿强度非常高，有较高的饱和极化值，说明其储能密度很高。

实施例1

一种柔性多层聚合物基电容器的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1，在柔性衬底层上印刷上第一层内电极，柔性衬底层用于为柔性介电膜提供必要的机械柔性、弯曲等功能，此处，并不限定柔性衬底层的材料，可以是具有稳定性能的薄膜结构材料均可，且具有相对较薄的厚度和一定的柔性可弯折，例如，柔性云母，内电极是以金属镍溅射靶材；

步骤2，第一层介电膜是在第一层内电极上流延烘干所得，在第一层介电膜上错位溅射第二层内电极，以此错位叠合多层介电薄膜，100℃一次性热处理形成柔性多层聚合物基芯片，经过切割磨边露出内部错位的内电极端；

本实施例中，SiO

步骤3，在柔性多层聚合物基芯片露出内部错位的内电极端的两端覆盖外电极，制备得到柔性多层聚合物基电容器，外电极包括外电极底层、外电极阻挡层和外电极焊接层，在柔性多层聚合物基芯片的两端溅射外电极底层，在外电极底层上溅射外电极阻挡层，在外电极阻挡层上溅射外电极焊接层，外电极底层、外电极阻挡层和外电极焊接层分别为以金属铜、金属镍和金属锡为溅射靶材。

实施例2

一种柔性多层聚合物基电容器的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1，在柔性衬底层上溅射上第一层内电极，柔性衬底层用于为柔性介电膜提供必要的机械柔性、弯曲等功能，此处，并不限定柔性衬底层的材料，可以是具有稳定性能的薄膜结构材料均可，且具有相对较薄的厚度和一定的柔性可弯折，例如，柔性云母，内电极是以金属铜为溅射靶材；

步骤2，第一层介电膜是在第一层内电极上流延烘干所得，在第一层介电膜上错位溅射第二层内电极，以此错位叠合多层介电薄膜，110℃一次性热处理形成柔性多层聚合物基芯片，经过切割磨边露出内部错位的内电极端；

本实施例中，SiO

步骤3，在柔性多层聚合物基芯片露出内部错位的内电极端的两端覆盖外电极，制备得到柔性多层聚合物基电容器，外电极包括外电极底层、外电极阻挡层和外电极焊接层，在柔性多层聚合物基芯片的两端溅射外电极底层，在外电极底层上溅射外电极阻挡层，在外电极阻挡层上溅射外电极焊接层，外电极底层、外电极阻挡层和外电极焊接层分别为以金属铜、金属镍和金属锡为溅射靶材。

实施3

一种柔性多层聚合物基电容器的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1，在柔性衬底层上印刷或溅射上第一层内电极，柔性衬底层8用于为柔性介电膜提供必要的机械柔性、弯曲等功能，此处，并不限定柔性衬底层8的材料，可以是具有稳定性能的薄膜结构材料均可，且具有相对较薄的厚度和一定的柔性可弯折，例如，柔性云母，内电极是以金属铝为溅射靶材；

步骤2，第一层介电膜是在第一层内电极上流延烘干所得，在第一层介电膜上错位溅射第二层内电极，以此错位叠合多层介电薄膜，120℃一次性热处理形成柔性多层聚合物基芯片，经过切割磨边露出内部错位的内电极端；

本实施例中，SiO

步骤3，在柔性多层聚合物基芯片露出内部错位的内电极端的两端覆盖外电极，制备得到柔性多层聚合物基电容器，外电极包括外电极底层、外电极阻挡层和外电极焊接层，在柔性多层聚合物基芯片的两端溅射外电极底层，在外电极底层上溅射外电极阻挡层，在外电极阻挡层上溅射外电极焊接层，外电极底层、外电极阻挡层和外电极焊接层分别为以金属铜、金属镍和金属锡为溅射靶材。

以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。