一種改性納米線、高導熱複合材料及其製備方法
2024-04-12 22:02:05 1
1.本發明屬於納米複合材料技術領域，特別涉及一種改性納米線、高導熱複合材料及其製備方法。
背景技術：
2.陶瓷電介質具有大介電常數和高熱穩定性，其對溫度的敏感程度較低，能夠在較寬的溫度範圍內保持較好的儲能性能，但它們在高電場和高溫下介電損耗較大，使得其遭受相當大的能量損失。
3.聚合物電介質具有高電壓耐受性、高可靠性、可擴展性和重量輕，因此是高能量密度大功率薄膜電容器的首選。然而，由於聚合物電介質固有的熱穩定性差，所有聚合物在高溫和高電場下的介電常數都很低，在高電場和高溫條件下工作時，聚合物電介質中的散熱變得相當困難，因為聚合物通常具有相對較低的熱導率。如果產生的熱量超過熱損失率，介電材料的溫度將繼續升高，這反過來又會導致產生的熱量進一步增加，最終導致所謂的熱擊穿。目前的聚合物電介質無法滿足惡劣環境下電能存儲和轉換新興應用的溫度要求。因此，亟需一種高導熱率的聚合物介電材料。
技術實現要素：
4.針對現有技術的不足，本發明提供了一種改性納米線、高導熱複合材料及其製備方法，本發明所述複合材料能夠有效提高其導熱性能，並且製備工藝成熟、簡單、成本低、綠色環保，工藝參數易於控制，易實現放大生產。
5.為實現上述目的，本發明提供以下技術方案：
6.一種改性納米線，由陶瓷納米線和包覆在陶瓷納米線表面的金屬氧化物al2o3組成。
7.優選的，所述陶瓷納米線為ccto、bt、bst、srtio3、pbtio3中的一種。
8.優選的，所述陶瓷納米線的長徑比為30～700。
9.本發明還提供了所述改性納米線的製備方法，用金屬氧化物對陶瓷納米線進行化學包覆製得改性納米材料。
10.優選的，所述化學包覆的方法為化學氣相沉積法、化學液相沉積法或化學固相沉積法。
11.優選的，所述化學包覆具體包括以下步驟：
12.1)取al2(so4)3·
18h2o加入甲酸-甲酸銨緩衝液中溶解，加入陶瓷納米線混勻後得到混合溶液；
13.2)將步驟1)得到混合溶液轉移至烘箱烘乾，取出沉降水洗後烘乾、研磨；
14.3)將步驟2)研磨得到的粉末放入馬弗爐200～800℃反應1～8h，待到自然降溫至室溫後獲得改性納米線。
15.進一步優選的，所述al2(so4)3·
18h2o與陶瓷納米線按照al2o3與陶瓷納米線質量
比為(1:1)～(1:5)進行稱量；所述烘乾的溫度為50～90℃，時間為2～8h。
16.本發明還提供了一種高導熱複合材料，由所述改性納米線與聚合物複合製得；所述聚合物為hips、pvdf、p(vdf-trfe)、pp、pe中的一種。
17.本發明還提供了所述高導熱複合材料的製備方法，將改性納米線與聚合物複合；所述複合的方法為熔融共混法、溶液混合法或熱壓法。
18.優選的，所述複合具體包括以下步驟：
19.a、將改性納米線與聚合物溶於dmf溶液得到複合材料溶液；
20.b、將複合材料溶液倒入內壁光滑乾淨的培養皿中，放入真空乾燥箱50～80℃烘乾；
21.c、用冰水進行脫膜處理得到複合膜，水洗後常溫靜置晾乾得到高導熱複合材料。
22.與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：
23.本發明提供了一種改性納米線、高導熱複合材料及其製備方法，通過在陶瓷納米線表面包覆金屬氧化物al2o3製備改性納米線，再將改性納米線與聚合物複合製得複合材料。該方法製備得到的複合材料能夠有效提高其導熱性能。此外，隨著核殼結構包覆層厚度的增大，複合材料的導熱係數增大。並且本方法製備工藝成熟、簡單、成本低、綠色環保，工藝參數易於控制，易實現放大生產。
附圖說明
24.圖1為金屬氧化物al2o3包覆ccto-nws示意圖；
25.圖2為金屬氧化物al2o3包覆ccto-nws掃描透射圖；
26.圖3為ccto純樣以及實施例1和實施例2製備ccto的xrd圖；
27.圖4為ccto-nws/hips與實施例1～4的製得的複合材料的導熱係數。
具體實施方式
28.為使本發明的目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本發明的具體實施方式做詳細的說明。附圖中給出了本發明的若干實施例。但是，本發明可以以許多不同的形式來實現，並不限於本文所描述的實施例。相反地，提供這些實施例的目的是使對本發明的公開內容更加透徹全面。
29.本發明提供了一種改性納米線，由陶瓷納米線和包覆在陶瓷納米線表面的金屬氧化物al2o3組成。
30.本發明選用氧化鋁(al2o3)作為包覆在陶瓷納米線表面的金屬氧化物而形成核殼結構填料即改性納米線，相較於常用的氧化鋅(zno)和二氧化鈦(tio2)來說，al2o3具有更高的擊穿強度和更寬的帶隙，作為中介電層，其介電常數介於陶瓷納米線填料和聚合物基體之間，降低填料與基體間的介電梯度，起到了緩衝作用，另外核殼結構是平衡介電和儲能性能的有效方法，因此使用al2o3作為核殼填料的外殼能夠更有效地抑制複合材料的漏電流和高場強下的介電損耗，並提高材料的導熱係數。
31.在本發明中，所述陶瓷納米線優選為ccto、bt、bst、srtio3、pbtio3中的一種，更優選為ccto、bt、bst中的一種。
32.在本發明中，所述陶瓷納米線的長徑比優選為30～700。
33.本發明還提供了一種改性納米線的製備方法，用金屬氧化物對陶瓷納米線進行化學包覆製得改性納米材料。
34.在本發明中，所述化學包覆的方法優選為化學氣相沉積法、化學液相沉積法或化學固相沉積法。
35.所述化學包覆具體包括以下步驟：
36.1)取al2(so4)3·
18h2o加入甲酸-甲酸銨緩衝液中溶解，加入陶瓷納米線混勻後得到混合溶液；
37.2)將步驟1)得到混合溶液轉移至烘箱烘乾，取出沉降水洗後烘乾、研磨；
38.3)將步驟2)研磨得到的粉末放入馬弗爐200～800℃反應1～8h，待到自然降溫至室溫後獲得改性納米線。
39.本發明將al2(so4)3·
18h2o加入甲酸-甲酸銨緩衝液中溶解，加入陶瓷納米線混勻後得到混合溶液。所述al2(so4)3·
18h2o與陶瓷納米線按照al2o3與陶瓷納米線質量比為(1:1)～(1:5)進行稱量；所述甲酸-甲酸銨緩衝液ph優選為3～6。
40.得到混合溶液後，將混合溶液轉移至烘箱烘乾，所述烘乾溫度優選為50～90℃，烘乾時間優選為2～8h；取出沉降水洗後烘乾、研磨，所述研磨粒度優選為40～400目。
41.將研磨得到的粉末放入馬弗爐200～800℃反應1～8h，待到自然降溫至室溫後獲得改性納米線。
42.本發明還提供了一種高導熱複合材料，由所述改性納米線與聚合物複合製得；所述聚合物優選為hips、pvdf、p(vdf-trfe)、pp、pe中的一種，更優選為hips、pvdf、p(vdf-trfe)中的一種。
43.本發明還提供了所述高導熱複合材料的製備方法，將改性納米線與聚合物複合；所述複合的方法為熔融共混法、溶液混合法或熱壓法。
44.所述複合具體包括以下步驟：
45.a、將改性納米線與聚合物溶於dmf溶液得到複合材料溶液；
46.b、將複合材料溶液倒入內壁光滑乾淨的培養皿中，放入真空乾燥箱50～80℃烘乾；
47.c、用冰水進行脫膜處理得到複合膜，水洗後常溫靜置晾乾得到高導熱複合材料。
48.本發明將改性納米線與聚合物溶於dmf溶液得到複合材料溶液。所述改性納米線與聚合物的質量百分比優選為20wt％～25wt％。本發明將改性納米線與聚合物溶於dmf溶液後優選為攪拌6～12h後進行超聲，本發明進行超聲操作，更有利於使複合材料溶液混合均勻。
49.得到複合材料溶液後，本發明將複合材料溶液倒入內壁光滑乾淨的培養皿中，放入真空乾燥箱50～80℃烘乾。
50.然後用冰水進行脫膜處理得到複合膜，水洗後常溫靜置晾乾得到高導熱複合材料。所述水洗優選為用去離子水進行水洗，選用去離子水可以減少雜質的加入。
51.為了更好的理解本發明，下面結合實施例進一步闡明本發明的內容，但本發明的內容不僅僅局限於下面的實施例。
52.實施例1
53.1.製備陶瓷納米線：兩步水熱法製備長徑比為30～200的ccto-nws；
nws/hips(0.2068)提高了1.3080。
67.實施例4
68.1.製備陶瓷納米線：兩步水熱法製備長徑比為500～700的ccto-nws；
69.2.製備改性納米線：將一定量的甲酸銨加入到去離子水，滴加甲酸配製ph＝4的緩衝液，按照al2o3與陶瓷納米線質量比為1:1稱取6.5gal2(so4)3·
18h2o倒入緩衝液攪拌溶解後，再稱取1gccto-nws倒入其中，攪拌均勻後超聲，得到混合溶液，將混合溶液轉移至烘箱60℃下反應6h，取出樣品沉降水洗後烘乾，研磨至200目，得到樣品粉末；樣品粉末放入馬弗爐200℃反應8h，待到自然降溫至室溫後獲得al2o3@ccto-nws填料。
70.3.複合材料製備：將0.5g al2o3@ccto-nws填料與2g hips溶於dmf溶液攪拌12h後超聲使溶液均勻，得到複合材料溶液；將複合材料溶液倒入內壁光滑乾淨的培養皿中，放入真空乾燥箱60℃烘乾，將複合膜取出用冰水進行脫膜處理，後用去離子水衝洗複合膜，常溫靜置晾乾得到al2o3@ccto-nws/hips基複合材料。
71.測試該複合材料的導熱係數，同時相同體積比的ccto-nws/hips複合材料作為對比，由圖4可得(1:1)al2o3@ccto-nws/hips複合材料的導熱係數為3.2158w/(m
·
k)，較ccto-nws/hips(0.2068)提高了3.0090。
72.實施例5
73.同實施例1，區別在於，將ccto-nws陶瓷換為bt-nws陶瓷，製備al2o3@bt-nws/hips複合材料。al2o3@bt-nws/hips複合材料的導電係數為0.4628。
74.實施例6
75.同實施例1，區別在於，將hips基體換為pvdf，製備al2o3@ccto-nws/pvdf複合材料。al2o3@ccto-nws/pvdf複合材料的導電係數為0.6190，導熱係數較ccto-nws/pvdf(0.2314)提高了0.3876。
76.以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但並不能因此而理解為對本發明專利範圍的限制。應當指出的是，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本發明的保護範圍。因此，本發明專利的保護範圍應以所附權利要求為準。