專利名稱：介電薄膜、相關(guān)制品和方法
介電薄膜、相關(guān)制品和方法技術(shù)領(lǐng)域
總體而言，本發(fā)明涉及高能密度電容器，具體而言，涉及結(jié)合有具有高介電常數(shù)和 高擊穿強(qiáng)度的聚合物薄膜的這類電容器。本發(fā)明還涉及一種制造這類介電薄膜的方法和包 括所述介電薄膜的電容器。
發(fā)明背景
高能密度電容器在各種工業(yè)、軍事和商業(yè)操作中已變得越來越重要?；诰酆衔?的電容器重量輕且緊湊，因此對(duì)于各種陸上和空間應(yīng)用具有吸引力。然而，大多數(shù)介電聚合 物的特點(diǎn)在于具有低能密度(< 5J/cc)，且具有低擊穿強(qiáng)度(< 450kV/mm)，這會(huì)限制電容 器的操作電壓。為了獲得高能密度，可能需要具有高介電常數(shù)特征和高擊穿強(qiáng)度兩者。這 兩種性質(zhì)之間的折衷未必有利。
大多數(shù)顯示出高擊穿強(qiáng)度的介電聚合物具有低介電常數(shù)。通常使用高介電常數(shù)的 陶瓷填料來增大聚合物的介電常數(shù)。聚合物介電常數(shù)的進(jìn)一步增大可通過包含高濃度的陶 瓷填料來實(shí)現(xiàn)。例如，介電常數(shù)等于150的聚合物-陶瓷復(fù)合材料具有高達(dá)85%體積(約 98%重量)的陶瓷填料裝填密度。然而，高濃度的陶瓷填料不僅降低復(fù)合材料的機(jī)械學(xué)柔 韌性，而且引入界面缺陷，因此降低復(fù)合材料的擊穿強(qiáng)度。
聚合物的氰基樹脂家族具有高介電常數(shù)(e >巧)且可作為成膜樹脂購得。商品 級(jí)高介電常數(shù)氰基樹脂可以得到并廣泛用作電致發(fā)光燈的涂覆材料。然而，氰基樹脂通常 不具有足以加工成用于電容器制造的自立式薄膜的機(jī)械強(qiáng)度。所述薄膜通常由于材料脆化 而開裂。
已經(jīng)報(bào)道了一些這種薄膜的擊穿強(qiáng)度低于200kV/mm。已經(jīng)針對(duì)具有高擊穿強(qiáng)度 的高品質(zhì)薄膜研究并加工了這些樹脂。然而，據(jù)報(bào)道純氰基樹脂薄膜如CR-C(氰乙基纖維 素)和CR-E (氰乙基羥乙基纖維素)脆性很高。因此，它們通常僅作為與其它聚合物的共 混物使用。就性質(zhì)和加工來說，CR-S(氰乙基支鏈淀粉)是另一種合適的聚合物。
因此，需要在不損害氰基樹脂介電性質(zhì)的情況下改善其韌性。還需要具有高介電 常數(shù)和高擊穿強(qiáng)度的氰基樹脂薄膜，與當(dāng)前存在的介電薄膜相比，其具有改善的機(jī)械強(qiáng)度。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一些實(shí)施方案提供包括氰基樹脂介電薄膜的制品。所述氰基樹脂介電薄 膜包括韌性材料的納米結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方案，提供一種電容器。所述電容器包括氰基樹脂介電薄 膜和至少一個(gè)與所述氰基樹脂介電薄膜連接的電極。所述氰基樹脂介電薄膜包括韌性材料 的納米結(jié)構(gòu)。
在一些實(shí)施方案中，提供一種形成介電薄膜的方法。所述方法包括將氰基樹脂溶 解于溶劑中以形成溶液和將韌性材料分散在所述溶液中的步驟。所述方法還包括將所述溶 液施用到底材以形成所述介電薄膜的步驟。所述氰基樹脂介電薄膜包括所述韌性材料的納 米結(jié)構(gòu)。


在參考附圖閱讀以下詳述時(shí)將更加透徹地理解本發(fā)明的這些和其它特征、方面和 優(yōu)勢(shì)，在所述附圖中相同符號(hào)表示相同元件，其中
圖1為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的氰基樹脂的化學(xué)結(jié)構(gòu)的示意圖2圖示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的電容器；
圖3為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案形成氰基樹脂介電薄膜的方法的流程圖4為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的氰基樹脂介電薄膜的透射電子顯微照片。
具體實(shí)施方式
本文中貫穿說明書和權(quán)利要求書使用的近似語言可用來修飾可容許在不引起其 所涉及的基本功能改變的情況下而不同的任何定量表述。因此，通過術(shù)語例如“約”修飾的 值不限于所指定的精確值。在有些情況下，近似語言可對(duì)應(yīng)于用于測(cè)量所述值的儀器的精 確度。
在以下說明書和權(quán)利要求書中，除非上下文另有明確規(guī)定，否則單數(shù)形式“一”和 “該”包括多個(gè)指示物。
如本文所用，術(shù)語“可”和“可為”表示在一組情況下事件的可能性；擁有所說明 性質(zhì)、特征或功能的可能性；和/或通過表達(dá)與所限定動(dòng)詞相關(guān)的能力、性能或可能性中的 一種或多種來限定另一動(dòng)詞的可能性。因此，使用“可”和“可為”表示所修飾術(shù)語顯然適 當(dāng)、能夠或適于所指明的性能、功能或應(yīng)用，同時(shí)考慮到在一些情況下所修飾術(shù)語有時(shí)可以 是不適當(dāng)、不能夠或不合適的。例如，在一些情況下，可預(yù)期一個(gè)事件或性能，而在其它情況 下，所述事件或性能可能不出現(xiàn)-該區(qū)別由術(shù)語“可”和“可為”來描述。
本文所考慮的一些介電性質(zhì)為介電常數(shù)、介電擊穿電壓或介電擊穿強(qiáng)度和能量密 度。介電材料的“介電常數(shù)”為電極之間及電極周圍的空間充滿介電材料的電容器的電容 與在真空中具有相同電極構(gòu)造的電容器的電容的比率。如本文所用，“介電擊穿強(qiáng)度”是指 在所施加的AC或DC電壓下聚合物復(fù)合(介電)材料的耐介電擊穿性的量度。擊穿之前的 施加電壓除以介電(聚合物)材料的厚度，得到擊穿強(qiáng)度值或擊穿電壓。其通常以電位差 單位/長(zhǎng)度單位如千伏特/毫米(kV/mm)來計(jì)量。
電容器的能量通常根據(jù)等式E= (1/2)CV2計(jì)算，其中C為電容(法拉(F))，且V 為電容器的工作電壓(伏特(V))。這些關(guān)系還可以表示為電場(chǎng)E的函數(shù)。如果材料的介 電常數(shù)K不隨施加電場(chǎng)E (V/μ m)而變，則電容器中儲(chǔ)存的電能密度UE(J/cc)可根據(jù)Ue = 1/2 e 0KE2 計(jì)算，
其中e ^為真空電容率?？蓪?duì)材料施加的最高電場(chǎng)稱作其介電擊穿強(qiáng)度。如本文 所用，除非另外規(guī)定，否則術(shù)語“高溫”是指高于約100攝氏度(°c )的溫度。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，提供一種包括氰基樹脂介電薄膜的制品。所述氰基 樹脂介電薄膜包括韌性材料的納米結(jié)構(gòu)。如本文所用，“韌性材料”是指添加劑材料，其使基 礎(chǔ)材料(氰基樹脂)的機(jī)械強(qiáng)度增大至少約5%。
介電薄膜或?qū)硬幌抻诰唧w的氰基樹脂。合適氰基樹脂的實(shí)例包括但不限于氰乙 基支鏈淀粉(CR-S樹脂)、氰乙基聚乙烯醇、氰乙基羥乙基纖維素(CR-E)和氰乙基纖維素(CR-C樹脂)。在一個(gè)示例性實(shí)施方案中，所述氰基樹脂包括氰乙基纖維素。在另一實(shí)施 方案中，所述氰基樹脂包括氰乙基支鏈淀粉。適用于本發(fā)明的某些實(shí)施方案的氰基樹脂的 重復(fù)單元的結(jié)構(gòu)提供于圖1中。標(biāo)記10顯示CR-S樹脂的重復(fù)單元，標(biāo)記12顯示CR-C樹 脂的重復(fù)單元，其中R為-CH2-CH2-CN或H。應(yīng)存在足夠量的氰基以提供所要氮含量。在 對(duì)應(yīng)于標(biāo)記12的式中，側(cè)接CH2OR基團(tuán)中的每一個(gè)單獨(dú)可備選地為CH2OR'基團(tuán)，其中R' 為-CH2-CH2-OH或H。在一些實(shí)施方案中，可將氰基樹脂的共混物用于介電薄膜。
所述氰基樹脂可具有脂族、芳族或芳氧基主鏈。所述氰基樹脂具有基于CN基團(tuán)的 氮含量。在某些實(shí)施方案中，所述氮含量為約7%-約15%重量。在其它實(shí)施方案中，所述 氮含量為約9%-約13%重量。所述氰基樹脂的特征通常為粘度(20% N，N-二甲基甲酰 胺或DMF溶液，在20°C下)為約100厘泊(cP)-約lOOOcP。所述CN基團(tuán)具有相當(dāng)高的偶 極矩和相當(dāng)高的遷移率以在電場(chǎng)下重新定向且可引起高介電常數(shù)。在室溫下，CR-S的介電 常數(shù)為19.5，CR-C樹脂的介電常數(shù)為16.5。氰基樹脂的高介電常數(shù)與其高擊穿強(qiáng)度的組 合可促進(jìn)高能密度。
所述氰基樹脂包含有效量的韌性材料。韌性材料的主要目的是改善用于形成薄膜 的氰基樹脂的韌性。然而，選擇具體韌性材料和其量以改善用于形成薄膜的氰基樹脂的機(jī) 械強(qiáng)度如拉伸強(qiáng)度并用于保持氰基樹脂的介電性質(zhì)。
合適的韌性材料可包括熱塑性聚合物。非限制性實(shí)例包括丙烯酸酯嵌段共聚物、 芳族聚酰亞胺、硅氧烷和酰亞胺嵌段共聚物等。所述芳族聚酰亞胺通常由聚(酰胺基酸) 制備。芳族聚酰亞胺通常由芳族二酐和芳族二胺合成。芳族二酐的實(shí)例包括但不限于二苯 甲酮四甲酸二酐(BTDA)、雙酚A二酐、氧代二鄰苯二甲酸酐和均苯四甲酸二酐。芳族二胺的 實(shí)例包括但不限于氧代雙苯胺(ODA)、苯二胺(PDA)、雙氨基苯氧基苯和雙(氨基苯氧基苯 基)丙烷。
丙烯酸酯嵌段共聚物通常包括ABA或ABC丙烯酸酯嵌段構(gòu)造。A、B和C各自為單 體嵌段，ABA或ABC表示丙烯酸酯嵌段共聚物中的重復(fù)單元。A的合適實(shí)例包括但不限于聚 (甲基丙烯酸甲酯)。B的合適實(shí)例包括但不限于聚硅氧烷和聚丙烯酸丁酯/聚丁二烯。C 的非限制性實(shí)例包括聚苯乙烯。
在一個(gè)示例性實(shí)施方案中，ABA丙烯酸酯嵌段共聚物的重復(fù)單元為 PMMA-PBA-PMMA，其中“PMMA”為聚(甲基丙烯酸甲酯)；“PBA”為聚(丙烯酸丁酯)。在另 一示例性實(shí)施方案中，ABC丙烯酸酯嵌段共聚物的重復(fù)單元為PS-PBd-PMMA，其中“PS”為聚 苯乙烯，“PBd”為聚丁二烯，“PMMA”為聚(甲基丙烯酸甲酯)。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中， 所述丙烯酸酯嵌段共聚物為ABA嵌段共聚物、M22和M22N (得自Arkema，Inc.)和硅氧烷聚 醚酰亞胺嵌段共聚物(STM1700，得自 SABIC Innovative Plastics)。
所述韌性材料的最適當(dāng)量通常由使用所述材料的應(yīng)用以及特定增韌劑本身來決 定。韌性材料的“有效量”是能夠在不顯著損害氰基樹脂薄膜的介電性質(zhì)的情況下顯著改 善其韌性的量。本發(fā)明的實(shí)施方案可使用含至少約10%重量的韌性材料的氰基樹脂。優(yōu)選 韌性材料(即增韌劑)的存在量為約10% -約20%重量。
此外，對(duì)于本發(fā)明的實(shí)施方案來說，韌性材料以納米結(jié)構(gòu)形式存在于氰基樹脂 中。如本文所用，術(shù)語“納米結(jié)構(gòu)”意思是描述具有特征尺寸小于約500納米(nm)、小于約 200nm、小于約lOOnm、小于約50nm或甚至小于約20nm的至少一個(gè)區(qū)域或特性維度的結(jié)構(gòu)。這類結(jié)構(gòu)的實(shí)例包括納米線、納米棒、納米管、分枝納米晶體、納米四足、三足、二足、納米晶 體、納米點(diǎn)、納米粒子等。納米結(jié)構(gòu)的材料性質(zhì)可基本均勻。然而，在其它實(shí)施方案中，所述 納米結(jié)構(gòu)可為不均勻的。納米結(jié)構(gòu)可基本為結(jié)晶(單晶或多晶)、非晶或其組合。納米結(jié)構(gòu) 的其它特征可具有在微米或甚至毫米范圍的尺寸。一方面，納米結(jié)構(gòu)的至少一維的尺寸小 于約500nm，例如小于約200nm，小于約lOOnm，小于約50nm或甚至小于約20nm。
在某些實(shí)施方案中，所述氰基樹脂介電薄膜的厚度為約0. 1微米-約50微米。在 一個(gè)特定的實(shí)施方案中，所述介電薄膜的厚度為約0. 1微米-約10微米。如下文將詳細(xì)描 述，發(fā)現(xiàn)所述介電薄膜的介電擊穿強(qiáng)度與薄膜厚度成反比。因此，所述介電薄膜的所選厚度 在某種程度上取決于需要的能量密度和工藝可行性。在某些實(shí)施方案中，所述介電薄膜可 具有較高薄膜厚度，例如約3微米-約50微米的薄膜厚度。
在具體實(shí)施方案中，填料粒子分散在氰基樹脂基料中。所述填料粒子可積極影響 薄膜的介電常數(shù)，因此可有利地使用。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這些填料粒子增加介電常數(shù)，因此增加儲(chǔ)能 容量，同時(shí)保持所有其它高性能參數(shù)如高電阻率、低損耗因子和高擊穿電壓。
在一個(gè)實(shí)施方案中，所述填料粒子包括陶瓷材料。所述陶瓷粒子可為鐵電粒子或 反鐵電粒子。鐵電和反鐵電效應(yīng)是一種電學(xué)現(xiàn)象，其中某些離子晶體可顯示出自發(fā)偶極矩。 合適陶瓷的實(shí)例包括但不限于氧化鋁、氧化鈦、氧化鋯、氧化鎂、氧化鋅、氧化銫、氧化釔、二 氧化硅、鈦酸鋇、鈦酸鍶、鋯酸鉛、鈦酸鋯鉛和這些物質(zhì)的不同組合。在一個(gè)實(shí)施方案中，優(yōu) 選的填料粒子為反鐵電粒子。
在施加電場(chǎng)時(shí)，反鐵電粒子可轉(zhuǎn)化為鐵電粒子。因此，反鐵電粒子通常為場(chǎng)可調(diào)諧 的非線性介電粒子，在暴露于電場(chǎng)時(shí)其可經(jīng)歷從低介電態(tài)(反鐵電態(tài))到高介電態(tài)(鐵電 態(tài))的相轉(zhuǎn)變。通常使用小于或等于約100千伏特/毫米的偏壓電場(chǎng)來改變摻入氰基樹脂 中的反鐵電粒子的狀態(tài)(從反鐵電態(tài)變?yōu)殍F電態(tài))。該偏壓電場(chǎng)可伴隨向樣品施加熱。在 施加偏壓電場(chǎng)期間，熱可以對(duì)流、傳導(dǎo)或輻射形式施加到樣品。
電場(chǎng)使填料粒子對(duì)準(zhǔn)進(jìn)入柱狀結(jié)構(gòu)以產(chǎn)生較高介電常數(shù)。這類反鐵電粒子和 其對(duì)聚合物介電性質(zhì)的影響描述在2005年11月23日提交的題為“Antiferroelectric Polymer, Methods of Manufacture Thereof, And Articles Comprising the Same (反鐵 電聚合物、其制備方法和包含其的制品)”的專利申請(qǐng)中，該專利申請(qǐng)通過引用結(jié)合到本文 中來。
所述填料粒子的特征通常為平均粒度為約5納米-約500納米。在一個(gè)實(shí)施方案 中，所述平均粒度為約10納米-約100納米。取決于先前提到一些因素，所述填料粒子以 適當(dāng)量存在。所述填料粒子的量通常小于所述氰基樹脂重量的約60%重量。在一個(gè)實(shí)施方 案中，所述填料粒子的量為所述氰基樹脂的約0. 重量-約30%重量。在一個(gè)實(shí)施方案 中，所述填料粒子的量為所述氰基樹脂的約0. 重量-約20%重量。填料粒子的粒徑和 重量百分?jǐn)?shù)可影響成膜性能，由此可適當(dāng)優(yōu)化。
介電薄膜的介電擊穿強(qiáng)度在某種程度上可由薄膜組成、薄膜厚度和薄膜品質(zhì)(通 常由表面缺陷、薄膜沉積和表面化學(xué)改性定義)控制。通常，對(duì)于本發(fā)明的通用實(shí)施方案來 說，介電薄膜的擊穿強(qiáng)度為至少約200kV/mm。在一個(gè)實(shí)施方案中，所述介電薄膜的擊穿強(qiáng)度 為約200kV/mm-約1000kV/mm。在一些優(yōu)選的實(shí)施方案中，所述介電薄膜的擊穿強(qiáng)度為約 300kV/mm-約 700kV/mm。
較薄的介電薄膜通常顯示出較高擊穿強(qiáng)度值(介電薄膜的擊穿強(qiáng)度可通過減小 薄膜的厚度來改善)。韌化的介電薄膜具有優(yōu)良的機(jī)械強(qiáng)度且甚至具有減小的厚度，也可加 工成自立式薄膜。例如，已經(jīng)顯示具有20重量％韌性材料M22(上文討論到)且具有15微 米厚度的CRC薄膜的擊穿強(qiáng)度值為400kV/mm。已經(jīng)在570kV/mm的改善擊穿強(qiáng)度下分別實(shí) 現(xiàn)了至5. 5微米的薄膜厚度減小。
在一個(gè)實(shí)施方案中，氰基樹脂介電薄膜的介電常數(shù)可為約10-約50。在另一實(shí)施 方案中，氰基樹脂介電薄膜的介電常數(shù)可為約10-約30。此外，在一個(gè)實(shí)施方案中，在IkHz 下，氰基樹脂介電薄膜的損耗因子為約0. 01-約0. 1。
本發(fā)明的實(shí)施方案提供一種電容器，其包括介電薄膜和至少一個(gè)與所述介電薄膜 連接的電極。圖2提供電容器20的簡(jiǎn)化圖示，其具有沉積于底材M上的介電薄膜22。介 電薄膜22包含氰基樹脂。所述氰基樹脂介電薄膜包括韌性材料的納米結(jié)構(gòu)。電極沈與介 電薄膜22連接。通常電極沈可包括導(dǎo)電聚合物或金屬層。普遍使用的金屬包括鋁、不銹 鋼、鈦、鋅和銅。所述電極層通常較薄，在約50人-約500 A左右。在一些實(shí)施方案中，所 述電容器可為多層電容器。在這類實(shí)施方案中，可交替配置許多介電薄膜和電極層以形成 多層電容器。
薄膜的相當(dāng)高的介電常數(shù)值和高擊穿強(qiáng)度值有利于電容器的高能儲(chǔ)存。在一個(gè)實(shí) 施方案中，電容器的能量密度為至少約5J/cc。在另一實(shí)施方案中，電容器的能量密度為至 少約lOJ/cc。在又一實(shí)施方案中，電容器的能量密度為至少約20J/CC。
所述電容器可任選包括安置于介電薄膜上的蓋層。合適蓋層材料的實(shí)例包括但不 限于聚碳酸酯、醋酸纖維素、聚醚酰亞胺、含氟聚合物、聚對(duì)苯二甲撐、丙烯酸酯、氧化硅、氮 化硅和聚偏氟乙烯。對(duì)于特定實(shí)施方案，所述蓋層的厚度小于所述介電薄膜厚度的約10%。 所述蓋層可幫助填充表面缺陷或另外減輕表面缺陷，由此可改善薄膜的擊穿強(qiáng)度。還應(yīng)該 強(qiáng)調(diào)的是本發(fā)明不限于任何特定類型的電容器，只要表現(xiàn)出本文所述的特征即可。
本發(fā)明的實(shí)施方案還提供如圖3的流程圖中所圖示的一種形成氰基樹脂介電薄 膜的方法30。所述方法30包括以下步驟將氰基樹脂溶解于溶劑中以形成溶液，步驟32 ； 將韌性材料分散在所述溶液中，步驟34;和將所述溶液施加到底材上以形成所述介電薄 膜，步驟38。所述方法可在進(jìn)行步驟38之前包括將填料粒子分散于所述溶液中的額外的任 選步驟36。
在步驟32中，將氰基樹脂溶解于任何合適溶劑中。在特定實(shí)施方案中，所述溶 劑選自丙酮、乙腈、環(huán)己酮、糠醇、四氫糠醇、乙酰乙酸甲酯、硝基甲烷、N，N-二甲基甲酰胺 (DMF)、N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、丁內(nèi)酯、碳酸亞丙酯和這些物質(zhì)的不同組合。在一個(gè)示 例性實(shí)施方案中，所述溶劑包括N，N- 二甲基甲酰胺。
在步驟34中，所述韌性材料通過合適分散方法分散在所述溶液中。合適分散技術(shù) 的實(shí)例包括但不限于熔融分散和溶劑分散。這些分散技術(shù)還可使用額外能量如剪切、壓縮、 超聲振動(dòng)等以促使韌性納米結(jié)構(gòu)與氰基樹脂均勻化。在一個(gè)實(shí)施方案中，可將懸浮在流體 (例如溶劑)中的氰基樹脂與韌性納米結(jié)構(gòu)一起引入超聲波發(fā)生器中。所述混合物可通過 超聲處理一段將納米結(jié)構(gòu)有效分散在氰基樹脂和流體內(nèi)的時(shí)間而溶液共混。
在一些實(shí)施方案中，方法30任選包括在將所述溶液施用到底材的步驟38之前將 填料粒子分散在所述溶液中的步驟36。還可通過上文討論的相同分散技術(shù)在分散韌性材料的同時(shí)或之后將填料粒子分散在氰基樹脂內(nèi)。
在步驟38中，通過本領(lǐng)域已知的任何合適方法將氰基樹脂的溶液施用到底材上。 合適涂覆方法的實(shí)例包括但不限于帶狀流延、浸漬涂覆、旋轉(zhuǎn)涂覆、化學(xué)氣相沉積、熔融擠 出和物理氣相沉積如濺射。所述介電薄膜的厚度通常小于約5微米。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方 案中，所述薄膜可通過帶狀流延方法施用。當(dāng)薄膜厚度相當(dāng)小時(shí)，可使用基于溶液的涂覆技 術(shù)如旋轉(zhuǎn)涂覆或浸漬涂覆。在一個(gè)示例性實(shí)施方案中，所述薄膜可優(yōu)選通過旋轉(zhuǎn)涂覆方法 施用。
在涂覆方法中的薄膜形成期間，分子韌性材料與氰基樹脂分離并自組裝成納米尺 寸或微米尺寸的域或納米結(jié)構(gòu)。韌性材料的該分離由于氰基與韌性材料之間的相互作用而 出現(xiàn)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將能夠控制氰基與韌性材料之間的相互作用，因此通過調(diào)整加工 條件如溫度和韌性材料和氰基樹脂在溶液中的濃度可控制納米結(jié)構(gòu)的特性維度。應(yīng)當(dāng)理解 的是納米結(jié)構(gòu)的維度隨加工條件而變。
在一些實(shí)施方案中，納米結(jié)構(gòu)的特性維度為約50納米-約500納米。在一個(gè)示例 性實(shí)施方案中，圖4顯示納米韌化的氰乙基纖維素(CR-C)薄膜42的橫斷面的顯微照片40。 所述顯微照片為透射電子顯微照片。圖4的顯微照片清楚地顯示CR-C薄膜42中由韌性材 料形成的納米結(jié)構(gòu)44的最大維度為約500nm。
在某種程度上由于形成這些韌性納米結(jié)構(gòu)，氰基樹脂介電薄膜變得具有柔韌性， 具有優(yōu)良的機(jī)械強(qiáng)度，這對(duì)于薄膜生成必不可少。表1(下文)顯示納米韌化的CR-C介電 薄膜的拉伸強(qiáng)度值。此外，如表2(下文)所示，這些韌化的氰基樹脂薄膜保持其優(yōu)良介電 性質(zhì)。因此，氰基樹脂的韌化使得能夠薄膜制造具有優(yōu)良機(jī)械強(qiáng)度的介電薄膜。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，所述氰基樹脂介電薄膜可通過控制沉積條件而改善。例 如，通過在清潔室環(huán)境中進(jìn)行涂覆處理，可得到高品質(zhì)的薄膜。通過以上方法處理的氰基樹 脂薄膜顯示意料不到的高擊穿強(qiáng)度。在一個(gè)實(shí)施方案中，所述氰基樹脂介電薄膜的擊穿強(qiáng) 度為至少約300kV/mm。在一個(gè)特定的實(shí)施方案中，所述氰基樹脂介電薄膜的擊穿強(qiáng)度為約 300kV/mm-約 1000kV/mm。
實(shí)施例
實(shí)施例1
將10克氰乙基纖維素(CR-C樹脂)粉末加到約90克溶劑中以制備具有約10%重 量聚合物的溶液。在室溫下用磁力攪拌器攪拌所述溶液2小時(shí)以溶解CR-C樹脂。將韌性材 料M22(20%重量的CR-C樹脂)加到溶液中。M22材料通過攪拌處理溶解于溶液中。隨后 使用1-微米過濾器過濾溶液。隨后將溶液流延在清潔載玻片上并在100°C下干燥2小時(shí)。 隨后將韌化CR-C薄膜從載玻片上剝離并在真空烘箱中進(jìn)一步干燥過夜。流延得到厚度為 約5. 5微米和約15微米的自立式薄膜。隨后大致按照ASTM D149方法測(cè)量介電擊穿強(qiáng)度。 頂部電極和底部電極為不銹鋼板。將薄膜浸沒在清潔的絕緣礦物油中，以500V/S的升高速 率施加直流(DC)電壓，直至樣品被損壞。發(fā)現(xiàn)納米韌化的CR-C薄膜的介電擊穿強(qiáng)度對(duì)于 厚度為5. 5微米的薄膜來說為400kV/mm，對(duì)于厚度為15微米的薄膜來說為570kV/mm。
實(shí)施例2
用5%重量、10%重量和20%重量M22韌化的CR-C薄膜(各自厚度為約12微米) 通過如上文在實(shí)施例1中所討論的相同方法流延。測(cè)量各薄膜的拉伸強(qiáng)度。表1顯示與未韌化的CR-C薄膜(凈CR-C)相比，各納米韌化的CR-C薄膜的拉伸強(qiáng)度改善。
表1 納米韌化的氰乙基纖維素(CR-C)薄膜的拉伸強(qiáng)度
權(quán)利要求
1.一種制品，其包括氰基樹脂介電薄膜，其中所述氰基樹脂介電薄膜包括韌性材料的 納米結(jié)構(gòu)。
2.權(quán)利要求1的制品，其中所述氰基樹脂介電薄膜包括至少一種選自氰乙基支鏈淀 粉、氰乙基聚乙烯醇、氰乙基羥乙基纖維素、氰乙基纖維素或其組合的氰基樹脂。
3.權(quán)利要求1的制品，其中所述韌性材料包括熱塑性聚合物。
4.權(quán)利要求3的制品，其中所述熱塑性聚合物包括熱塑性聚合物或丙烯酸酯嵌段共聚物。
5.權(quán)利要求1的制品，其中所述氰基樹脂介電薄膜包含至少約10%重量的所述韌性材料。
6.權(quán)利要求1的制品，其中所述韌性材料分散在所述氰基樹脂內(nèi)。
7.權(quán)利要求1的制品，其中所述氰基樹脂介電薄膜還包含分散在所述氰基樹脂中的填 料粒子，其中所述填料粒子包括鐵電材料或反鐵電材料。
8.權(quán)利要求1的制品，其中所述氰基樹脂介電薄膜的擊穿強(qiáng)度為約200kV/mm-約 1000kV/mm。
9.一種電容器，其包括 氰基樹脂介電薄膜；和至少一個(gè)與所述氰基樹脂介電薄膜連接的電極，其中所述氰基樹脂介電薄膜包括韌性 材料的納米結(jié)構(gòu)。
10.一種形成氰基樹脂介電薄膜的方法，所述方法包括以下步驟 將氰基樹脂溶解于溶劑中以形成溶液；將韌性材料分散在所述溶液中；和將所述溶液施用到底材上以形成所述氰基樹脂介電薄膜，其中所述氰基樹脂介電薄膜 包括所述韌性材料的納米結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明描述一種具有氰基樹脂介電薄膜的制品。所述氰基樹脂介電薄膜包括韌性材料的納米結(jié)構(gòu)。本發(fā)明還描述一種形成這類氰基樹脂介電薄膜的方法。本發(fā)明提供一種具有氰基樹脂介電薄膜的電容器。
文檔編號(hào)C08L53/00GK102030923SQ20101050836
公開日2011年4月27日 申請(qǐng)日期2010年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月30日
發(fā)明者D·Q·譚, P·C·歐文, Q·陳, X·房, 曹陽 申請(qǐng)人:通用電氣公司