CN108281284A - 一种包含串联结构电介质的高电容密度的电容器及其制备方法 - Google Patents

一种包含串联结构电介质的高电容密度的电容器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有高电容密度的电容器及其制备方法，本发明的电容器包括由正介电材料和负介电材料串联组成的串联结构的电介质，所述正介电材料为介电常数为正值的材料，所述负介电材料为介电常数为负值的材料。本发明的电容器的制备方法可以是分别制备一面负载有正介电材料前驱体薄膜的电极和一面负载有负介电材料前驱体薄膜的电极，复合并固化得到电容器；还可以先制备一面负载有正(或负)介电材料前驱体薄膜的电极，然后负载负(或正)介电材料前驱体薄膜，再与另一个电极复合，固化，得到电容器。本发明的电介质厚度薄，在2μm～100μm，降低了生产工艺要求和生产成本，且电容密度高，在1.5nF/cm2～50nF/cm2。

Description

一种包含串联结构电介质的高电容密度的电容器及其制备 方法
技术领域
本发明属于电容器技术领域，涉及一种高电容密度的电容器及其制备方法，尤其涉及一种包含串联结构电介质的高电容密度的电容器及其制备方法。
背景技术
随着电子信息技术的进步，印制电路板向着多功能、小型化发展，要求越来越多的电子元器件埋入到基板当中，既可以节省空间，提高生产效率，同时还能够提高产品性能。特别是，复合电介质材料随着科技的发展在基板当中的用量越来越大，要求越来越高。目前用于制备电容的电介质材料主要是由正介电材料构成。由于对电容材料的柔性要求较高，所以使用具有较高介电常数的陶瓷材料不宜用于电容材料的制备。聚合物材料具有很好的柔韧性，但是其介电常数一般低于5。使用具有高介电常数的陶瓷材料与聚合物材料进行复合可以得到介电常数相对较高的复合材料。此类复合材料的介电常数一般低于30，要获得较高的电容密度，只能通过降低电容材料中电介质的厚度来获得。但是，厚度的降低对制备工艺要求很高，生产成本高，缺陷多，良品率低。
因此，迫切需要一种新的方法既能够提高电容材料的电容密度，又能够降低生产工艺要求，提高材料的良品率，降低产品的生产成本。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种具有高电容密度的电容器及其制备方法。本发明可以在很宽的电介质厚度范围2μm～100μm内使电容器具有很高的电容密度，而且，降低了生产工艺要求，提高了产品的良品率，降低了生产成本，具有广阔的应用前景。
本发明所述“具有高电容密度的电容器”指：电容器的电容密度在1.5nF/cm2～50nF/cm2，例如为1.5nF/cm2、3nF/cm2、5nF/cm2、10nF/cm2、12nF/cm2、15nF/cm2、17.5nF/cm2、20nF/cm2、22nF/cm2、24nF/cm2、27nF/cm2、30nF/cm2、32.5nF/cm2、35nF/cm2、36nF/cm2、38nF/cm2、40nF/cm2、41.5nF/cm2、43nF/cm2、45nF/cm2、48nF/cm2或50nF/cm2等。
为达上述目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种具有高电容密度的电容器，所述电容器包括由正介电材料和负介电材料串联组成的电介质，其中，所述正介电材料指介电常数为正值的材料，所述负介电材料指介电常数为负值的材料。
优选地，所述正介电材料的介电常数大于5，例如为8、20、30、40、50、65、80、100、125、150、180、200、220、245、255、270、280、290或300等。
优选地，所述负介电材料的介电常数小于-5，例如为-6、-10、-20、-30、-40、-50、-65、-75、-90、-110、-120、-140、-160、-180、-200、-220、-235、-270、-300、-400、-450、-500、-600、-700、-1000、-1200、-1500、-1800、-2000、-2500、-2750、-3000、-3500、-3800、-4000、-4500、-5000、-6000、-6500、-7000、-10000、-20000、-30000、-45000或-100000等。
优选地，记所述正介电材料的介电常数为M，所述负介电材料的介电常数为N，则要求︱M︱≤︱N︱，例如M＝6，N＝-15；M＝10，N＝-35；M＝6，N＝-40；M＝20，N＝-70；M＝25，N＝-85；M＝30，N＝-100；M＝50，N＝-110；M＝65，N＝-135或M＝75，N＝-150等。若︱M︱≥︱N︱，串联结构的电介质易出现介电常数为负值的情况，不适用于电容器的使用。
优选地，所述正介电材料的厚度为1μm～50μm，例如为2μm、5μm、8μm、10μm、12μm、15μm、20μm、22.5μm、25μm、27μm、30μm、35μm、40μm、42μm、45μm或50μm等，优选为8μm～30μm。
优选地，所述负介电材料的厚度为1μm～50μm，例如为2μm、4μm、10μm、13μm、16μm、20μm、25μm、27.5μm、30μm、32.5μm、35μm、40μm、43μm、46μm或50μm等，优选为8μm～30μm。
优选地，由正介电材料和负介电材料串联而组成的电介质的厚度优选在2μm～50μm。
本发明中，对正介电材料和负介电材料的厚度优选的原因有两方面，一是考虑成本，介电材料越薄，对材料的加工工艺要求越高，生产成本越高；二是考虑使用性和轻薄化，当串联结构的电介质的厚度大于50μm时，其将失去柔韧性，在使用过程中容易出现开裂现象，也不利于产品的轻薄化。
优选地，所述正介电材料的厚度大于所述负介电材料的厚度，例如正介电材料的厚度为5μm，负介电材料的厚度为2μm；正介电材料的厚度为10μm，负介电材料的厚度为5μm；正介电材料的厚度为20μm，负介电材料的厚度为5μm；正介电材料的厚度为20μm，负介电材料的厚度为8μm；正介电材料的厚度为25μm，负介电材料的厚度为12.5μm；正介电材料的厚度为35μm，负介电材料的厚度为18μm；正介电材料的厚度为40μm，负介电材料的厚度为25μm等。若正介电材料的厚度小于负介电材料的厚度，串联得到的电介质易出现介电常数为负值的情况，不适用于电容器的使用。
优选地，所述正介电材料为介电常数为正值的聚合物基复合材料。
优选地，所述介电常数为正值的聚合物基复合材料中的聚合物为热固性高分子化合物，优选为环氧树脂、聚酰亚胺树脂、酚醛树脂或聚酯树脂中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，所述负介电材料为介电常数为负值的聚合物基复合材料。
优选地，所述介电常数为负值的聚合物基复合材料中的聚合物为热固性高分子化合物，优选为环氧树脂、聚酰亚胺树脂、酚醛树脂或聚酯树脂中的任意一种或至少两种的组合。
本发明中，所述环氧树脂包括双酚A环氧树脂，例如亨斯迈生产的GY2600，GY 6010，GY 6020，MY 790-1，LY 1556和GY 507等；双酚F环氧树脂，例如亨斯迈生产的GY 281，GY 282，GY 285，PY 306，PY302-2和PY 313等；酚醛环氧树脂，例如南亚树脂生产的NPPN-638S，和NPPN-631等；邻甲酚醛环氧树脂，例如南亚树脂生产的NPCN-701，NPCN-702，NPCN-703，NPCN-704，NPCN-704L和NPCN-704K80等；脂环族环氧树脂，例如美国Emerald旗下CVC特种化学品公司生产的EPALLOY 5200，亨斯迈生产的CY 179，CY 184，CY 192，CY 5622和CY 9729等；联苯环氧树脂，例如日本三井化学生产的YX4000，YX4000K，YX4000H，YX4000HK，YL6121H和YL6121HN等；溴化环氧树脂，例如岳阳巴陵石化生产的CYDB-500，CYDB-700，CYDB-900，CYDB-400和CYDB-450A80等。
优选地，所述介电常数为正值的聚合物基复合材料中，包含由陶瓷填料或导电填料中的任意一种或两种的组合构成的填料添加物。
优选地，所述介电常数为正值的聚合物基复合材料中，所述陶瓷填料选自钛酸钡、钛酸锶、钛酸锶钡、锆钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅、铌镁酸铅或钛酸铜钙等中的任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性实例有：钛酸钡和钛酸锶的组合，钛酸钡和钛酸锶钡的组合，钛酸锶和锆钛酸铅的组合，钛酸钡和钛酸铅的组合，钛酸锶和铌镁酸铅的组合，钛酸钡、锆钛酸钡、锆钛酸铅和铌镁酸铅的组合。
优选地，所述介电常数为正值的聚合物基复合材料中，所述导电填料为导电碳材料和/或导电金属材料，所述导电碳材料优选包括碳纳米管、石墨烯、石墨、炭黑或碳纤维等中的任意一种或至少两种的组合，所述导电碳材料的组合典型但非限制性实例有：碳纳米管和石墨烯的组合，碳纳米管和石墨的组合，碳纳米管、炭黑和碳纤维的组合等。所述导电金属材料优选包括金、银、铜、铁、镍、铝、锌或铂中的任意一种或至少两种的组合，所述导电金属材料的组合典型但非限制性实例有：金和银的组合，金和铜的组合，银和铝的组合，铁和铝的组合，金、银和铁的组合，金、铜、镍和铝的组合等。
优选地，以所述介电常数为正值的聚合物基复合材料的总质量为100wt％计，所述填料添加物的质量百分比为0.5wt％～85wt％，例如为0.5wt％、2wt％、5wt％、7.5wt％、10wt％、12wt％、14wt％、18wt％、22wt％、25wt％、30wt％、32.5wt％、36wt％、40wt％、45wt％、50wt％、55wt％、58wt％、60wt％、65wt％、70wt％、75wt％、80wt％或85wt％等，优选为20wt％～80wt％。
本发明对填料添加物的形状不作限定，可以是球形、线形和片状等各种形状。
本发明中，当聚合物基复合材料中的填料添加物为陶瓷填料时，聚合物基复合材料的介电常数为正值。
本发明中，当聚合物基复合材料中的填料添加物为导电填料时，存在一个导电填料的添加量阀值，低于和超过此添加量阀值时，聚合物基复合材料的介电常数的正负发生变化，根据导电填料的种类、形貌等不同，此添加量阀值也不同，本领域技术人员可以根据需要进行调整。
本发明中，当聚合物基复合材料中的填料添加物为陶瓷填料和导电填料的组合时，根据陶瓷填料和导电填料添加量的不同，聚合物基复合材料的介电常数的正负发生变化，本领域技术人员可以根据需要进行调整。
优选地，所述介电常数为正值的聚合物基复合材料中，所述填料添加物在至少一个维度的尺寸为10nm～5μm，例如为10nm、50nm、100nm、200nm、300nm、400nm、450nm、550nm、600nm、800nm、1000nm、1.5μm、2μm、2.5μm、3.5μm、4μm或5μm等，优选在至少一个维度的尺寸为100nm～1μm，进一步优选在三个维度的尺寸为100nm～0.5μm。
优选地，所述介电常数为负值的聚合物基复合材料中包含导电填料。
优选地，所述介电常数为负值的聚合物基复合材料中，所述导电填料为导电碳材料和/或导电金属材料，所述导电碳材料优选包括碳纳米管、石墨烯、石墨、炭黑或碳纤维等中的任意一种或至少两种的组合；所述导电金属材料优选包括金、银、铜、铁、镍、铝、锌或铂等中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，以所述介电常数为负值的聚合物基复合材料的总质量为100wt％计，所述导电填料的质量百分比为0.5wt％～40wt％，例如为0.5wt％、2wt％、8wt％、15wt％、20wt％、25wt％、30wt％、32.5wt％、35wt％或40wt％等，优选为5wt％～20wt％。
本发明对导电填料的形状不作限定，可以是球形、线形和片状等各种形状。
优选地，所述介电常数为负值的聚合物基复合材料中，所述导电填料在至少一个维度的尺寸为10nm～5μm，例如为10nm、100nm、200nm、400nm、500nm、650nm、800nm、1000nm、1.5μm、2μm、2.2μm、2.5μm、3μm、3.5μm、4μm或5μm等，优选在至少一个维度的尺寸为100nm～1μm，进一步优选在三个维度的尺寸为100nm～0.5μm。
本发明中，当聚合物基复合材料只包含聚合物和导电填料时，存在一个导电填料的添加量阀值，低于和超过此添加量阀值时，聚合物基复合材料的介电常数的正负发生变化，根据导电填料的种类、形貌等不同，此添加量阀值也不同，本领域技术人员可以根据需要进行调整。
本发明所述电容器包括两个电极。
优选地，所述电极由导电材料组成，所述导电材料为铜、铝、金、银、镍、碳材料、导电氧化物或导电复合物中的任意一种或至少两种的组合，所述碳材料优选包括碳材料、石墨烯、石墨、炭黑或碳纤维等中的任意一种或至少两种的组合。
本发明的电容器中的电介质是由正介电材料和负介电材料串联组成的，本发明的电介质的厚度在2μm～100μm。
本发明通过引入一种具有负介电常数的负介电材料，与正介电材料串联构成新型的电介质用于电容器，解决了目前单一使用具有正介电常数的正介电材料制得的电容器的电容密度低，电介质薄而导致的生产工艺要求高、生产成本高的问题，本发明的电容器具有很高的电容密度，在1.5nF/cm2～50nF/cm2。
第二方面，本发明提供如第一方面所述的电容器的制备方法，所述方法为以下三个方案中的任意一种：
方案一：分别制备一面负载有正介电材料前驱体薄膜的电极和一面负载有负介电材料前驱体薄膜的电极，然后将一面负载有正介电材料前驱体薄膜的电极和一面负载有负介电材料前驱体薄膜的电极进行复合，使正介电材料前驱体薄膜和负介电材料前驱体薄膜接触，然后固化，得到电容器。
方案二：制备一面负载有正介电材料前驱体薄膜的电极，然后在负载有正介电材料前驱体薄膜的电极的正介电材料前驱体薄膜一侧制备负介电材料前驱体薄膜，再通过负介电材料前驱体薄膜一侧与另一电极进行复合，然后固化，得到电容器。
方案三：制备一面负载有负介电材料前驱体薄膜的电极，然后在负载有负介电材料前驱体薄膜的电极的负介电材料前驱体薄膜一侧制备正介电材料，再通过正介电材料前驱体薄膜与另一电极复合，然后固化，得到电容器。
优选地，所述制备一面负载有正介电材料的电极的过程包括以下步骤：
(1)将填料添加物、聚合物和溶剂混合，球磨，得到正介电材料前驱体浆料；
(2)采用正介电材料前驱体浆料，在电极的一面制备正介电材料，得到一面负载有正介电材料前驱体薄膜的电极。
优选地，制备一面负载有正介电材料前驱体薄膜的电极的过程，所述填料添加物和聚合物的质量比为20wt％～85wt％。
优选地，所述制备一面负载有负介电材料前驱体薄膜的电极的过程包括以下步骤：
(1)’将导电填料、聚合物和溶剂混合，球磨，得到负介电材料前驱体浆料；
(2)’采用负介电材料前驱体浆料，在电极的一面制备负介电材料，得到一面负载有负介电材料前驱体薄膜的电极。
优选地，制备一面负载有负介电材料前驱体薄膜的电极的过程，所述导电填料和聚合物的质量比为5wt％～20wt％。
优选地，步骤(1)所述填料添加物为陶瓷填料或导电填料中的任意一种或两种的组合；
优选地，步骤(1)所述填料添加物中的陶瓷填料包括钛酸钡、钛酸锶、钛酸锶钡、锆钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅、铌镁酸铅或钛酸铜钙等中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，步骤(1)所述填料添加物中的导电填料为导电碳材料和/或导电金属材料，所述导电碳材料优选包括碳纳米管、石墨烯、石墨、炭黑或碳纤维等中的任意一种或至少两种的组合；所述导电金属材料优选包括金、银、铜、铁、镍、铝、锌或铂中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，步骤(1)’所述导电填料为导电碳材料和/或导电金属材料，所述导电碳材料优选包括碳纳米管、石墨烯、石墨、炭黑或碳纤维等中的任意一种或至少两种的组合；所述导电金属材料优选包括金、银、铜、铁、镍、铝、锌或铂等中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，步骤(1)和步骤(1)’所述球磨的转速独立地为300rpm～1500rpm，例如为300rpm、400rpm、500rpm、600rpm、750rpm、900rpm、1000rpm、1050rpm、1100rpm、1200rpm、1300rpm、1400rpm或1500rpm等，优选为600rpm；
优选地，步骤(1)和步骤(1)’所述球磨的时间独立地为6h～24h，例如为6h、8h、9h、10h、12h、14h、16h、18h、20h或24h等，优选为12h；
优选地，步骤(1)和步骤(1)’所述聚合物为热固性高分子化合物，独立地优选为环氧树脂、聚酰亚胺树脂、酚醛树脂或聚酯树脂中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，当步骤(1)所述聚合物为环氧树脂时，步骤(1)制备正介电材料前驱体浆料的原料还包括固化剂和固化促进剂；
优选地，当步骤(1)’所述聚合物为环氧树脂时，步骤(1)’制备负介电材料前驱体浆料的原料还包括固化剂和固化促进剂；
优选地，步骤(1)和步骤(1)’所述固化剂独立地选自脂肪多元胺型固化剂、脂环多元胺型固化剂、芳香胺类固化剂、酸酐类固化剂、聚酰胺固化剂、潜伏固化剂或合成树脂类固化剂中的任意一种或至少两种的组合。
本发明中，所述脂肪多元胺型固化剂，例如乙二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺、四乙烯五胺、二丙烯三胺、二甲胺基丙胺、二乙胺基丙胺、三甲基六亚甲基二胺、二己基三胺、三甲基己二胺和聚醚二胺等；所述脂环多元胺型固化剂，例如二氨甲基环己烷、孟烷二氨、氨乙基呱嗪、六氢吡啶、二氨基环己烷、二氨甲基环己基甲烷和二氨基环己基甲烷等；所述芳香胺类固化剂，例如间苯二胺、间苯二甲胺、二氨基二苯基甲烷、二氨基二苯基砜和4-氯邻苯二胺等；所述酸酐类固化剂，例如苯酮四羧酸二酐、甲基内次甲基四氢邻苯二甲酸酐、四氢邻苯二甲酸酐、甲基四氢邻苯二甲酸酐、戊二酸酐、聚壬二酸酐、二氯代顺丁烯二酸酐、甲基六氢邻苯二甲酸酐、邻苯二甲酸酐、偏苯三酸酐、均苯四甲酸酐、偏苯四酸二酐、二苯酮四羧基二酸酐、顺丁烯二酸酐、十二烷基代顺丁烯二酸酐、琥珀酸酐、六氢苯二甲酸酐、环戊烷四酸二酐和二顺丁烯二酸酐基甲乙苯等；所述潜伏固化剂，例如双氰胺、三氟化硼单乙胺、三氟化硼苯乙胺、三氟化硼邻甲基苯胺、三氟化硼卞胺、三氟化硼二甲基苯胺、三氟化硼乙基苯胺、三氟化硼吡啶、MS-1微胶囊、MS-2微胶囊和葵二酸三酰肼等；所述合成树脂类固化剂，例如苯胺甲醛树脂、苯酚甲醛树脂和线性酚醛树脂等。
优选地，步骤(1)和步骤(1)’所述固化剂的加入量独立地为环氧树脂的质量的5wt％～120wt％，例如为5wt％、15wt％、25wt％、30wt％、40wt％、55wt％、60wt％、70wt％、80wt％、90wt％、100wt％、110wt％或120wt％等。
优选地，步骤(1)和步骤(1)’所述固化促进剂独立地选自唑类、酚类、卞基二甲胺、酰基胍或过氧化苯甲酰中的任意一种或至少两种的组合；
本发明中，所述唑类例如2-甲基咪唑、2-乙基咪唑、2,4-二乙基咪唑、2-乙基-4-甲基咪唑、2-十一烷基咪唑和2-十七烷基咪唑等。所述酚类例如苯酚、双酚A、间苯二酚和2,4,6-三(二甲氨基亚甲基)苯酚等。
优选地，步骤(1)和步骤(1)’所述固化促进剂的加入量独立地为环氧树脂的质量的0.05wt％～3wt％，例如为0.05wt％、0.1wt％、0.25wt％、0.5wt％、1wt％、1.5wt％、2wt％、2.2wt％、2.6wt％或3wt％等。
优选地，方案一、方案二和方案三所述复合均为：采用贴合机进行贴合。
优选地，步骤(2)所述在电极的一面制备正介电材料前驱体薄膜的方法，步骤(2)’所述在电极的一面制备负介电材料前驱体薄膜的方法，方案二所述在负载有正介电材料前驱体薄膜的电极的正介电材料前驱体薄膜一侧制备负介电材料前驱体薄膜的方法，以及方案三所述在负载有负介电材料前驱体薄膜的电极的负介电材料前驱体薄膜一侧制备正介电材料前驱体薄膜的方法选自丝网印刷、喷涂、网辊涂布或逗号刮刀涂布中的任意一种；
优选地，方案一、方案二和方案三所述固化的温度独立地为100℃～210℃，例如为100℃、115℃、125℃、130℃、145℃、150℃、160℃、165℃、170℃、175℃、180℃、185℃、190℃、200℃或210℃等，优选为150℃～180℃；
优选地，方案一、方案二和方案三所述固化的时间独立地为1h～4h，例如为1h、2h、2.5h、3h、3.5h或4h等，优选为2h。
本发明制备正介电材料前驱体浆料和负介电材料前驱体浆料时，使用的溶剂为能够溶解聚合物的有机溶剂，当制备正(或负)介电材料前驱体浆料的原料中包含固化剂时，优选添加能够溶解固化剂的溶剂，比如能够溶解双氰胺的N,N-二甲基甲酰胺。
与已有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明提供了一种新型的电容器，通过引入一种具有负介电常数的电介质材料与正介电常数的电介质材料进行串联排列，得到新型的串联结构的电介质用于电容器。通过控制具有负介电常数和正介电常数的这两种电介质材料的介电常数及厚度的配合关系，可以得到电容密度很高的电容材料，同时，本发明可以在很宽的电介质厚度范围内使电容器具有很高的电容密度(本发明的电介质是由正介电材料和负介电材料串联组成的，所述电介质的厚度在2μm～100μm；本发明的电容器具有很高的电容密度，在1.5nF/cm2～50nF/cm2)，降低了生产工艺要求，提高了产品的良品率，降低了生产成本。
附图说明
图1为本发明的电容器的结构示意图，其中，1为电极，2为正介电材料，3为负介电材料；
图2为本发明实施例1-4制备电容器的工艺流程图；
图3为本发明实施例5制备电容器的工艺流程图；
图4为本发明实施例6制备电容器的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
本实施例提供了一种电容器，所述电容器包括由正介电材料2和负介电材料3串联组成的电介质。
所述正介电材料的介电常数为正值，其为包含65wt％钛酸钡陶瓷颗粒和35wt％环氧树脂的聚合物基复合材料；
所述负介电材料的介电常数为负值，其为包含16wt％碳纳米管和84wt％环氧树脂的聚合物基复合材料；
所述电容器的两个电极1均为铜箔。
制备方法：
(1)称量钛酸钡20g，环氧树脂Epon828 10g，双氰胺0.5g，N,N-二甲基甲酰胺5g，2-甲基咪唑0.1g，丁酮10g，以1000rpm的转速球磨12h，得到正介电材料前驱体浆料，然后使用涂布机将此浆料在厚度为35μm的铜箔上涂覆，得到一层厚度为8μm的正介电材料前驱体薄膜。
(2)称量碳纳米管2g，环氧树脂Epon828 10g，双氰胺0.5g，N,N-二甲基甲酰胺5g，2-甲基咪唑0.1g，丁酮10g，以1000rpm的转速球磨12h，得到负介电材料前驱体浆料，然后使用涂布机将此浆料在厚度为35μm的铜箔上涂覆，得到一层厚度为7μm的负介电材料前驱体薄膜。
(3)使用贴合机将上述两片涂覆有正负介电常数复合材料的薄膜贴合到一起形成一个电容材料，贴合时，正介电材料前驱体薄膜和负介电材料前驱体薄膜接触。
(4)按180℃保温3h的固化工艺固化完全，得到电容器。
本实施例制备得到的电容器的电容密度为1.7nF/cm2。
实施例2
本实施例提供了一种电容器，所述电容器包括正介电材料和负介电材料串联组成的电介质。
所述正介电材料的介电常数为正值，其为包含4.5wt％碳纳米管和95.5wt％环氧树脂的聚合物基复合材料；
所述负介电材料的介电常数为负值，其为包含16wt％碳纳米管和84wt％环氧树脂的聚合物基复合材料；
所述电容器的两个电极均为铜箔。
制备方法：
(1)称量碳纳米管0.5g，环氧树脂Epon828 10g，双氰胺0.5g，N,N-二甲基甲酰胺5g，2-甲基咪唑0.1g，丁酮10g，以1000rpm的转速球磨12h，得到正介电材料前驱体浆料，然后使用涂布机将此浆料在厚度为35μm的铜箔上涂覆，得到一层厚度为8μm的正介电材料前驱体薄膜。
(2)称量碳纳米管2g，环氧树脂Epon828 10g，双氰胺0.5g，N,N-二甲基甲酰胺5g，2-甲基咪唑0.1g，丁酮10g，以1000rpm的转速球磨12h，得到负介电材料前驱体浆料，然后使用涂布机将此浆料在厚度为35μm的铜箔上涂覆，得到一层厚度为7μm的正介电材料前驱体薄膜。
(3)使用贴合机将上述两片涂覆有正负介电常数复合材料的薄膜贴合到一起形成一个电容材料，贴合时，正介电材料前驱体薄膜和负介电材料前驱体薄膜接触。
(4)按180℃保温3h的固化工艺固化完全，得到电容器。
本实施例制备得到的电容器的电容密度为3.6nF/cm2。
实施例3
本实施例提供了一种电容器，所述电容器包括由正介电材料和负介电材料串联组成的电介质。
所述正介电材料的介电常数为正值，其为包含65wt％钛酸钡陶瓷颗粒和35wt％环氧树脂的聚合物基复合材料；
所述负介电材料的介电常数为负值，其为包含59wt％银颗粒和41wt％环氧树脂的聚合物基复合材料；
所述电容器的两个电极均为铜箔。
制备方法：
(1)称量钛酸钡20g，环氧树脂Epon828 10g，双氰胺0.5g，N,N-二甲基甲酰胺5g，2-甲基咪唑0.1g，丁酮10g，以1000rpm的转速球磨12h，得到正介电材料前驱体浆料，然后使用涂布机将此浆料在厚度为35μm的铜箔上涂覆，得到一层厚度为15μm的正介电材料前驱体薄膜。
(2)称量银粉15g，环氧树脂Epon828 10g，双氰胺0.5g，N,N-二甲基甲酰胺5g，2-甲基咪唑0.1g，丁酮10g，以1000rpm的转速球磨12h，得到负介电材料前驱体浆料，然后使用涂布机将此浆料在厚度为35μm的铜箔上涂覆，得到一层厚度为12μm的负介电材料前驱体薄膜。
(3)使用贴合机将上述两片涂覆有正负介电常数复合材料的薄膜贴合到一起形成一个电容材料，贴合时，正介电材料前驱体薄膜和负介电材料前驱体薄膜接触。
(4)按180℃保温3h的固化工艺固化完全，得到电容器。
本实施例制备得到的电容器的电容密度为4.0nF/cm2。
实施例4
本实施例提供了一种电容器，所述电容器包括由正介电材料和负介电材料串联组成的电介质。
所述正介电材料的介电常数为正值，其为32wt％银颗粒和68wt％环氧树脂的聚合物基复合材料；
所述负介电材料的介电常数为负值，其为包含4.5wt％石墨烯和95.5wt％环氧树脂的聚合物基复合材料；
所述电容器的两个电极均为铜箔。
制备方法：
(1)称量银颗粒5g，环氧树脂Epon828 10g，双氰胺0.5g，N,N-二甲基甲酰胺5g，2-甲基咪唑0.1g，丁酮10g，以1000rpm的转速球磨12h，得到正介电材料前驱体浆料，然后使用涂布机将此浆料在厚度为35μm的铜箔上涂覆，得到一层厚度为15μm的正介电材料前驱体薄膜。
(2)称量石墨烯0.5g，环氧树脂Epon828 10g，双氰胺0.5g，N,N-二甲基甲酰胺5g，2-甲基咪唑0.1g，丁酮10g，以1000rpm的转速球磨12h，得到负介电材料前驱体浆料，然后使用涂布机将此浆料在厚度为35μm的铜箔上涂覆，得到一层厚度为10μm的正介电材料前驱体薄膜。
(3)使用贴合机将上述两片涂覆有正负介电常数复合材料的薄膜贴合到一起形成一个电容材料，贴合时，正介电材料前驱体薄膜和负介电材料前驱体薄膜接触。
(4)按180℃保温3h的固化工艺固化完全，得到电容器。
本实施例制备得到的电容器的电容密度为20.3nF/cm2。
实施例5
本实施例提供了一种电容器，所述电容器包括由正介电材料和负介电材料串联组成的电介质。
所述正介电材料的介电常数为正值，其为包含65wt％钛酸钡陶瓷颗粒和35wt％环氧树脂的聚合物基复合材料；
所述负介电材料的介电常数为负值，其为包含32wt％石墨粉和68wt％环氧树脂的聚合物基复合材料；
所述电容器的两个电极均为铜箔。
制备方法：
先在一个电极上制备正介电材料，然后在正介电材料上涂覆负介电材料而组成串联结构的电介质，然后再在该电介质材料与另外一个电极材料材料进行复合得到电容材料，固化，得到电容器。
具体包括以下步骤：
(1)称量钛酸钡20g，环氧树脂Epon828 10g，双氰胺0.5g，N,N-二甲基甲酰胺5g，2-甲基咪唑0.1g，丁酮10g，以1000rpm的转速球磨12h，得到正介电材料前驱体浆料，然后使用涂布机将此浆料在厚度为35μm的铜箔上涂覆，得到一层厚度为15μm的正介电材料前驱体薄膜。
(2)称量石墨粉5g，环氧树脂Epon828 10g，双氰胺0.5g，N,N-二甲基甲酰胺5g，2-甲基咪唑0.1g，丁酮10g，以1000rpm的转速球磨12h，得到负介电材料前驱体浆料，然后使用涂布机将此浆料在上述负载有正介电材料前驱体薄膜的薄膜一侧涂覆，得到一层厚度为15μm的负介电材料前驱体薄膜，从而得到表面依次负载正介电材料前驱体薄膜和负介电材料前驱体薄膜的电极。
(3)使用贴合机将一片铜箔与步骤(2)得到的电极进行贴合，得到一个电容材料，贴合时，铜箔与步骤(2)的电极的负介电材料前驱体薄膜一侧接触。
(4)按180℃保温3h的固化工艺固化完全，得到电容器。
本实施例制备得到的电容器的电容密度为5.8nF/cm2。
实施例6
本实施例提供了一种电容器，所述电容器包括由正介电材料和负介电材料串联组成的电介质。
所述负介电材料的介电常数为负值，其为包含48.5wt％石墨粉和51.5wt％环氧树脂的聚合物基复合材料；
所述正介电材料的介电常数为正值，其为包含80wt％钛酸钡陶瓷颗粒和20wt％环氧树脂的聚合物基复合材料；
所述电容器的两个电极均为铜箔。
制备方法：
先在一个电极上制备负介电材料，然后在负介电材料上涂覆正介电材料而组成串联结构的电介质，然后将此电介质材料与另外一个电极材料进行复合得到电容材料，固化，得到电容器。
具体包括以下步骤：
(1)称量石墨粉10g，环氧树脂Epon828 10g，双氰胺0.5g，N,N-二甲基甲酰胺5g，2-甲基咪唑0.1g，丁酮10g，以1000rpm的转速球磨12h，得到负介电材料前驱体浆料，然后使用涂布机将此负介电材料前驱体浆料在厚度为18μm的铜箔上涂覆，得到一层厚度为8μm的负介电材料前驱体薄膜。
(2)称量钛酸钡40g，酚醛树脂10g，丁酮10g，以600rpm的转速球磨24h，得到正介电材料前驱体浆料,然后使用涂布机将此正介电材料前驱体浆料在上述涂覆有负介电材料的表面上涂覆一层厚度为8μm的正介电材料前驱体薄膜。
(3)使用贴合机将一片铜箔与步骤(2)得到的电极进行贴合，得到一个电容材料，贴合时，铜箔与步骤(2)的电极的正介电材料前驱体薄膜一侧接触。
(4)按180℃保温2h的固化工艺固化完全，得到电容器。
本实施例制备得到的电容器的电容密度为25.1nF/cm2。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种具有高电容密度的电容器，其特征在于，所述电容器包括由正介电材料和负介电材料串联组成的电介质，其中，所述正介电材料为介电常数为正值的材料，所述负介电材料为介电常数为负值的材料。
2.根据权利要求1所述的电容器，其特征在于，所述正介电材料的介电常数大于5；
优选地，所述负介电材料的介电常数小于-5；
优选地，记所述正介电材料的介电常数为M，所述负介电材料的介电常数为N，则︱M︱≤︱N︱；
优选地，所述正介电材料的厚度为1μm～50μm，优选为8μm～30μm；
优选地，所述负介电材料的厚度为1μm～50μm，优选为8μm～30μm；
优选地，由正介电材料和负介电材料串联而组成的电介质的厚度优选在2μm～50μm；
优选地，所述正介电材料的厚度大于所述负介电材料的厚度。
3.根据权利要求1或2所述的电容器，其特征在于，所述正介电材料为介电常数为正值的聚合物基复合材料；
优选地，所述介电常数为正值的聚合物基复合材料中的聚合物为热固性高分子化合物，优选为环氧树脂、聚酰亚胺树脂、酚醛树脂或聚酯树脂中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述负介电材料为介电常数为负值的聚合物基复合材料；
优选地，所述介电常数为负值的聚合物基复合材料中的聚合物为热固性高分子化合物，优选为环氧树脂、聚酰亚胺树脂、酚醛树脂或聚酯树脂中的任意一种或至少两种的组合。
4.根据权利要求3所述的电容器，其特征在于，所述介电常数为正值的聚合物基复合材料中，包含由陶瓷填料或导电填料中的任意一种或两种构成的填料添加物；
优选地，所述介电常数为正值的聚合物基复合材料中，所述陶瓷填料包括钛酸钡、钛酸锶、钛酸锶钡、锆钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅、铌镁酸铅或钛酸铜钙中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述介电常数为正值的聚合物基复合材料中，所述导电填料为导电碳材料和/或导电金属材料，所述导电碳材料优选包括碳纳米管、石墨烯、石墨、炭黑或碳纤维中的任意一种或至少两种的组合；所述导电金属材料优选包括金、银、铜、铁、镍、铝、锌或铂中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，以所述介电常数为正值的聚合物基复合材料的总质量为100wt％计，所述填料添加物的质量百分比为0.5wt％～85wt％，优选为20wt％～80wt％；
优选地，所述介电常数为正值的聚合物基复合材料中，所述填料添加物在至少一个维度的尺寸为10nm～5μm，优选在至少一个维度的尺寸为100nm～1μm，进一步优选在三个维度的尺寸为100nm～0.5μm。
5.根据权利要求3所述的电容器，其特征在于，所述介电常数为负值的聚合物基复合材料中包含导电填料；
优选地，所述介电常数为负值的聚合物基复合材料中，所述导电填料为导电碳材料和/或导电金属材料，所述导电碳材料优选包括碳纳米管、石墨烯、石墨、炭黑或碳纤维中的任意一种或至少两种的组合；所述导电金属材料优选包括金、银、铜、铁、镍、铝、锌或铂中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，以所述介电常数为负值的聚合物基复合材料的总质量为100wt％计，所述导电填料的质量百分比为0.5wt％～40wt％，优选为5wt％～20wt％；
优选地，所述介电常数为负值的聚合物基复合材料中，所述导电填料在至少一个维度的尺寸为10nm～5μm，优选在至少一个维度的尺寸为100nm～1μm，进一步优选在三个维度的尺寸为100nm～0.5μm。
6.如权利要求1-5任一项所述的电容器，其特征在于，所述电容器包括两个电极；
优选地，所述电极由导电材料组成，所述导电材料为铜、铝、金、银、镍、碳材料、导电氧化物或导电复合物中的任意一种或至少两种的组合，所述碳材料优选包括碳纳米管、石墨烯、石墨、炭黑或碳纤维中的任意一种或至少两种的组合。
7.如权利要求1-6任一项所述的电容器的制备方法，其特征在于，所述方法为以下三个方案中的任意一种：
方案一：分别制备一面负载有正介电材料前驱体薄膜的电极和一面负载有负介电材料前驱体薄膜的电极，然后将一面负载有正介电材料前驱体薄膜的电极和一面负载有负介电材料前驱体薄膜的电极进行复合，使正介电材料前驱体薄膜和负介电材料前驱体薄膜接触，然后固化，得到电容器；
方案二：制备一面负载有正介电材料前驱体薄膜的电极，然后在负载有正介电材料前驱体薄膜的电极的正介电材料前驱体薄膜一侧制备负介电材料前驱体薄膜，再通过负介电材料前驱体薄膜一侧与另一电极进行复合，然后固化，得到电容器；
方案三：制备一面负载有负介电材料前驱体薄膜的电极，然后在负载有负介电材料前驱体薄膜的电极的负介电材料前驱体薄膜一侧制备正介电材料前驱体薄膜，再通过正介电材料前驱体薄膜与另一电极复合，然后固化，得到电容器。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述制备一面负载有正介电材料的电极的过程包括以下步骤：
(1)将填料添加物、聚合物和溶剂混合，球磨，得到正介电材料前驱体浆料；
(2)采用正介电材料前驱体浆料，在电极的一面制备正介电材料，得到一面负载有正介电材料前驱体薄膜的电极；
优选地，制备一面负载有正介电材料前驱体薄膜的电极的过程，所述填料添加物和聚合物的质量比为20wt％～85wt％；
优选地，所述制备一面负载有负介电材料前驱体薄膜的电极的过程包括以下步骤：
(1)’将导电填料、聚合物和溶剂混合，球磨，得到负介电材料前驱体浆料；
(2)’采用负介电材料前驱体浆料，在电极的一面制备负介电材料，得到一面负载有负介电材料前驱体薄膜的电极；
优选地，制备一面负载有负介电材料前驱体薄膜的电极的过程，所述导电填料和聚合物的质量比为5wt％～20wt％。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述填料添加物为陶瓷填料或导电填料中的任意一种或两种的组合；
优选地，步骤(1)所述填料添加物中的陶瓷填料包括钛酸钡、钛酸锶、钛酸锶钡、锆钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅、铌镁酸铅或钛酸铜钙中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，步骤(1)所述填料添加物中的的导电填料为导电碳材料和/或导电金属材料，所述导电碳材料优选包括碳纳米管、石墨烯、石墨、炭黑或碳纤维中的任意一种或至少两种的组合；所述导电金属材料优选包括金、银、铜、铁、镍、铝、锌或铂中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，步骤(1)’所述导电填料为导电碳材料和/或导电金属材料，所述导电碳材料优选包括碳纳米管、石墨烯、石墨、炭黑或碳纤维中的任意一种或至少两种的组合；所述导电金属材料优选包括金、银、铜、铁、镍、铝、锌、或铂中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，步骤(1)和步骤(1)’所述球磨的转速独立地为300rpm～1500rpm，优选为600rpm；
优选地，步骤(1)和步骤(1)’所述球磨的时间独立地为6h～24h，优选为12h；
优选地，步骤(1)和步骤(1)’所述聚合物为热固性高分子化合物，独立地优选为环氧树脂、聚酰亚胺树脂、酚醛树脂或聚酯树脂中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，当步骤(1)所述聚合物为环氧树脂时，步骤(1)制备正介电材料前驱体浆料的原料还包括固化剂和固化促进剂；
优选地，当步骤(1)’所述聚合物为环氧树脂时，步骤(1)’制备负介电材料前驱体浆料的原料还包括固化剂和固化促进剂；
优选地，步骤(1)和步骤(1)’所述固化剂独立地选自脂肪多元胺型固化剂、脂环多元胺型固化剂、芳香胺类固化剂、酸酐类固化剂、聚酰胺固化剂、潜伏固化剂或合成树脂类固化剂中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，步骤(1)和步骤(1)’所述固化剂的加入量独立地为环氧树脂的质量的5wt％～120wt％；
优选地，步骤(1)和步骤(1)’所述固化促进剂独立地选自唑类、酚类、卞基二甲胺、酰基胍或过氧化苯甲酰中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，步骤(1)和步骤(1)’所述固化促进剂的加入量独立地为环氧树脂的质量的0.05wt％～3wt％。
10.根据权利要求7-9任一项所述的方法，其特征在于，方案一、方案二和方案三所述复合均为：采用贴合机进行贴合；
优选地，步骤(2)所述在电极的一面制备正介电材料前驱体薄膜的方法，步骤(2)’所述在电极的一面制备负介电材料前驱体薄膜的方法，方案二所述在负载有正介电材料前驱体薄膜的电极的正介电材料前驱体薄膜一侧制备负介电材料前驱体薄膜的方法，以及方案三所述在负载有负介电材料前驱体薄膜的电极的负介电材料前驱体薄膜一侧制备正介电材料前驱体薄膜的方法选自丝网印刷、喷涂、网辊涂布或逗号刮刀涂布中的任意一种；
优选地，方案一、方案二和方案三所述固化的温度独立地为100℃～210℃，优选为150℃～180℃；
优选地，方案一、方案二和方案三所述固化的时间独立地为1h～4h，优选为2h。
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