背景技術(shù)：

電容器可通過將金屬層附接到電介質(zhì)材料的相反表面上來制成。電介質(zhì)材料的物理和幾何特性確定了電容器的電容和其他特性。在許多應(yīng)用中，期望電容器具有高能量密度和低耗散性。使用聚合物膜用于電介質(zhì)材料的電容器與基于陶瓷的電容器相比具有某些優(yōu)點，諸如改善的高溫度特性、低耗散因數(shù)和改善的機械應(yīng)力耐受性。然而，聚合物膜電容器通常不能夠?qū)崿F(xiàn)比約1j/cc高得多的能量密度。因此，存在對于改善的聚合物膜電容器的需要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

符合本說明書的電容器包括設(shè)置在第一電極和第二電極之間的復(fù)合堆疊。該復(fù)合堆疊包括一個或多個熱塑性導(dǎo)電層和與該一個或多個熱塑性導(dǎo)電層相鄰地設(shè)置的一個或多個熱塑性絕緣層。一個或多個熱塑性導(dǎo)電層具有大于一個或多個熱塑性絕緣層的總厚度3倍的總厚度。

符合本說明書的電容器包括設(shè)置在第一電極和第二電極之間的復(fù)合堆疊。該復(fù)合堆疊包括兩個或更多個熱塑性導(dǎo)電層和散布于該兩個或更多個熱塑性導(dǎo)電層之間的兩個或更多個熱塑性絕緣層。兩個或更多個熱塑性導(dǎo)電層中的至少一個熱塑性導(dǎo)電層包含以高于滲濾閾值的濃度與多個導(dǎo)電顆粒共混的熱塑性聚合物。

符合本說明書的方法包括共擠出材料以形成電容器的至少一部分。

附圖說明

圖1是電容器的示意性剖視圖；

圖2為絕緣層的示意性剖視圖；

圖3是用于共擠出和拉伸在復(fù)合堆疊中的層的系統(tǒng)的示圖；

圖4是示出作為各種材料的頻率的函數(shù)的電導(dǎo)率的曲線圖；

圖5a是示出作為純聚丙烯的頻率和負載炭黑的聚丙烯的頻率的函數(shù)的電介質(zhì)函數(shù)的實部的曲線圖；

圖5b是示出作為純聚丙烯的頻率和負載炭黑的聚丙烯的頻率的函數(shù)的電導(dǎo)率的曲線圖；

圖6a是示出作為頻率的函數(shù)的用于復(fù)合堆疊的有效電介質(zhì)函數(shù)的實部的曲線圖；并且

圖6b是示出作為頻率的函數(shù)的用于復(fù)合堆疊的損耗角正切的曲線圖。

具體實施方式

在以下說明中參考附圖，該附圖形成本說明的一部分并且其中通過舉例說明的方式示出。附圖未必按比例繪制。應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本公開的范圍或?qū)嵸|(zhì)的情況下，可設(shè)想并進行其他實施方案。因此，以下的詳細說明不應(yīng)被視為具有限制意義。

本說明書的實施方案包括具有包含至少兩個膜層的復(fù)合堆疊的電容器，其中層中的至少一個層是熱塑性絕緣層并且層中的至少一個層是熱塑性導(dǎo)電層。已發(fā)現(xiàn)，可以通過適當(dāng)?shù)剡x擇用于絕緣層和導(dǎo)電層的材料以及通過適當(dāng)?shù)靥暨x層厚度來實現(xiàn)電容器的期望電特性。可以根據(jù)復(fù)合堆疊的有效電介質(zhì)函數(shù)描述電容器的許多期望的電特性。

復(fù)合堆疊的有效電介質(zhì)函數(shù)可以定義為

其中c是當(dāng)放置在平面電極之間時的復(fù)合堆疊的電容，a是在平面電極之間的復(fù)合堆疊的表面積，d是復(fù)合堆疊的厚度，并且是自由空間的電容率。在層狀材料中，作為電場和相對電容率(即電介質(zhì)函數(shù))的乘積的位移場的垂直分量跨越層是連續(xù)的。該條件確定了對于給定施加電荷的電容器上的電壓分布，并且這允許確定電容，并且因此確定有效電介質(zhì)函數(shù)。所得的有效電介質(zhì)函數(shù)可表達為：

其中di是層i的厚度，d＝∑di是堆疊的厚度，并且是層i的電介質(zhì)函數(shù)(相對電容率)。因此，用于多層堆疊的有效電介質(zhì)函數(shù)由各個層的層厚度和電介質(zhì)函數(shù)確定。

可以根據(jù)導(dǎo)電層的總厚度tc和絕緣層的總厚度ti來描述具有一個或多個導(dǎo)電層和一個或多個絕緣層的復(fù)合堆疊。已發(fā)現(xiàn)，可以通過適當(dāng)?shù)剡x擇厚度比tc/ti來調(diào)節(jié)復(fù)合堆疊的電介質(zhì)特性。例如，已發(fā)現(xiàn)低頻有效電介質(zhì)函數(shù)通常隨著tc/ti的增加而增加。在一些實施方案中，tc/ti大于約2，或大于約3，或大于約4，或大于約5，或大于約6，或大于約7，或大于約8，并且可以小于約100或小于約50。

在一些實施方案中，導(dǎo)電層為包含多個導(dǎo)電顆粒的聚合物或聚合物的共混物，其中以高于滲濾閾值的濃度包括導(dǎo)電顆粒，使得形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。此類導(dǎo)電聚合物復(fù)合物的電導(dǎo)率可以通過改變導(dǎo)電顆粒的濃度和/或通過挑選所使用的導(dǎo)電顆粒的類型來調(diào)節(jié)。如本文所用，顆粒是指任何粒狀填料且此類顆粒可具有以下形狀：球形或非球形、薄片、線或晶須、桿形或其他形狀。導(dǎo)電顆?？梢允翘亢凇⑻祭w維、乙炔黑、可分散的石墨烯、單壁或多壁碳納米管、金屬顆粒諸如銀薄片或銀納米顆粒，或它們的組合。在一些實施方案中，導(dǎo)電顆粒是具有小于1微米的至少一個維度的納米顆粒，并且在一些實施方案中，導(dǎo)電顆粒是具有小于100納米的至少一個維度的納米顆粒。在一些實施方案中，導(dǎo)電顆粒具有在10nm-500nm范圍內(nèi)或在10nm-100nm范圍內(nèi)的至少一個維度。在一些實施方案中，導(dǎo)電顆粒的電導(dǎo)率大于約1s/cm，或大于約10s/cm，或大于約100s/cm，并且可以小于約10⁶s/cm或小于約10⁵s/cm。

復(fù)合導(dǎo)電層的電介質(zhì)特性取決于在層中所使用的聚合物以及聚合物中的添加劑的挑選。用于增加導(dǎo)電層和/或非導(dǎo)電層的電介質(zhì)函數(shù)的添加劑可以與導(dǎo)電層和/或非導(dǎo)電層的聚合物材料混合、共混、復(fù)合或換句話講結(jié)合。示例性添加劑包含batio³、鋯鈦酸鉛(pzt)、pt(鈦酸鉛)和pt復(fù)合材料以及它們的組合；其他示例包括氧化鋯、片狀脫落的粘土等。

在本說明書的許多實施方案中，復(fù)合堆疊是含有熱塑性導(dǎo)電層和熱塑性絕緣層的多層膜堆疊。如本文所用，“熱塑性”材料是指具有熔融流動特性的聚合物或聚合物復(fù)合物，使得材料能夠被熔融處理并通過模具或其他擠出部件擠出。此類材料還可以指可擠出的材料。用于擠出或共擠出的處理條件可以取決于用于導(dǎo)電層和絕緣層的材料。通常，選出擠出條件以便以連續(xù)穩(wěn)定的方式將材料流充分地給料、熔融、混合和泵送。最終熔融流溫度在一定范圍內(nèi)選出，這避免在該溫度范圍的低端處發(fā)生的凍結(jié)、結(jié)晶或不當(dāng)高壓降，并避免在該溫度范圍的高端處發(fā)生的降解。

用于熱塑性絕緣層和/或用于熱塑性導(dǎo)電層(前提條件是添加導(dǎo)電顆粒以使該層導(dǎo)電)的合適材料包含丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(abs)、丙烯酸類樹脂、纖維素、環(huán)烯烴共聚物(coc)、烯烴嵌段共聚物諸如由陶氏化學(xué)公司(dowchemical)以商品名infuse出售的那些、乙烯乙酸乙烯酯(eva)、乙烯乙烯醇(evoh)、聚酰胺、聚酯、聚對苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚萘二甲酸乙二醇酯(pen)、聚氨酯、聚丙烯(pp)、聚乙烯(pe)、低密度聚乙烯(ldpe)、聚碳酸酯(pc)、聚醚醚酮(peek)、聚乙烯亞胺(pei)、聚苯乙烯(ps)、聚氯乙烯(pvc)、含氟聚合物、聚四氟乙烯(ptfe)、聚偏二氟乙烯(pvdf)、聚砜、苯乙烯丙烯腈(san)、有機硅彈性體、丙烯酸彈性體、甲基丙烯酸酯共聚物、聚氨酯、聚丁二烯、熱塑性彈性體、聚丁二烯-丙烯腈共聚物、基于苯乙烯的共聚物諸如由科騰聚合物公司(kratonpolymers)以商品名kraton出售的苯乙烯乙烯丁二烯苯乙烯，以及它們的組合。

用于復(fù)合堆疊的有效電介質(zhì)函數(shù)具有諧振頻率，其可以被定義為在有效電介質(zhì)函數(shù)的虛部具有最大值的情況下的頻率。用于復(fù)合堆疊的有效損耗角正切由有效電介質(zhì)函數(shù)的虛部與有效電介質(zhì)函數(shù)的實部之間的比率給出。已發(fā)現(xiàn)，可以選出導(dǎo)電層的層厚度和電導(dǎo)率和電介質(zhì)特性以給出高的低頻有效電介質(zhì)函數(shù)、高諧振頻率和低有效損耗角正切。在一些實施方案中，在60hz的頻率下有效電介質(zhì)函數(shù)的實部大于約10，或大于約15，或大于約18，或大于約20，或大于約25，并且可以小于約200或小于約100。在一些實施方案中，復(fù)合堆疊具有有效電介質(zhì)函數(shù)，其具有大于約60hz，或大于約1khz，或大于約100khz，或大于約1mhz或大于約10mhz的頻率的諧振。在一些實施方案中，復(fù)合堆疊具有有效電介質(zhì)函數(shù)，其具有小于約100ghz或小于約10ghz的頻率的諧振。在一些實施方案中，復(fù)合堆疊在介于1hz和10mhz之間的頻率下具有小于約0.02、小于約0.01、小于約0.005或小于約0.002，或小于約0.001，或小于約0.0005的有效損耗角正切。在一些實施方案中，復(fù)合堆疊在介于1hz和10mhz之間的頻率下具有在0.00005至0.005范圍內(nèi)的有效損耗角正切。在一些實施方案中，復(fù)合堆疊在約1hz至約10mhz的頻率范圍內(nèi)，或在約10hz至約1mhz的頻率范圍內(nèi)，或在約60hz至約100khz的頻率范圍內(nèi)具有小于約0.005或小于約0.001的有效損耗角正切。

已發(fā)現(xiàn)，有效諧振頻率隨著導(dǎo)電層的電導(dǎo)率的增加而增加。在其中導(dǎo)電層包括熱塑性樹脂中的導(dǎo)電顆粒的實施方案中，可以通過調(diào)節(jié)導(dǎo)電顆粒的濃度和/或通過挑選導(dǎo)電顆粒來調(diào)節(jié)導(dǎo)電層的電導(dǎo)率，如前所述。除非另外指明，否則指定用于電阻率或電導(dǎo)率的值是指在60hz的頻率下測量的電阻率的實部或者電導(dǎo)率的實部。在一些實施方案中，平面內(nèi)電阻率或電導(dǎo)率(即，通過在層的平面中施加電場而測量的電阻率或電導(dǎo)率)和平面外電阻率或電導(dǎo)率(即，通過施加與層的平面垂直的電場而測量的電阻率或電導(dǎo)率)是不同的，而在其他實施方案中，在平面內(nèi)和平面外測量的電阻率或電導(dǎo)率值大致相同。如本文所用，如果平面內(nèi)和平面外電阻率均小于約10¹⁰ohm-cm，則層是導(dǎo)電的。在一些實施方案中，導(dǎo)電層具有小于約10⁸ohm-cm、小于約10⁵ohm-cm，或小于約100ohm-cm，或小于約50ohm-cm，或小于約25ohn-cm，或小于約15ohm-cm，或小于約10ohm-cm的平面內(nèi)或平面外電阻率。在一些實施方案中，導(dǎo)電層具有大于約0.01ohm-cm的平面內(nèi)或平面外電阻率。在一些實施方案中，導(dǎo)電層具有大于約10^-6s/m，或大于約0.0001s/m，或大于約0.01s/m，或大于約0.05s/m，或大于約0.1s/m，或大于約0.2s/m，或大于約1s/m，或大于約2s/m，或大于約3s/m的平面內(nèi)或平面外電導(dǎo)率。在一些實施方案中，導(dǎo)電層可具有小于約10⁴s/m或小于約10³s/m的平面內(nèi)或平面外電導(dǎo)率。

在一些實施方案中，適用于電容器的多層膜通過共擠出導(dǎo)電層和絕緣層以形成復(fù)合堆疊并且然后拉伸該復(fù)合堆疊來制成。在一些實施方案中，復(fù)合堆疊被雙軸拉伸，而在其他實施方案中，復(fù)合堆疊被單向拉伸。拉伸減小擠出的層的厚度，從而允許產(chǎn)生薄絕緣層。與相同材料的更厚層相比，非常薄的絕緣層的電介質(zhì)擊穿強度通常更高。在一些實施方案中，絕緣層中的一個或多個絕緣層具有在約50nm至約500nm范圍內(nèi)的厚度。在一些實施方案中，復(fù)合堆疊具有在約1μm至約10μm范圍內(nèi)的厚度。在一些實施方案中，復(fù)合堆疊在縱向方向上以介于約2和約10之間的牽伸比被拉伸和/或在橫向方向以介于約2和約10之間的牽伸比被拉伸。在一些實施方案中，復(fù)合堆疊以在縱向方向和橫向方向上的牽伸比大致相等地被雙軸拉伸。

在其中導(dǎo)電層包括熱塑性樹脂中的顆粒的實施方案中，各向異性電導(dǎo)率(或電阻率)可以由拉伸層引起。如在實施例中所述，已發(fā)現(xiàn)，拉伸通過擠出與炭黑共混的聚丙烯制成的膜引起顯著降低的平面外電導(dǎo)率，而平面內(nèi)電導(dǎo)率類似于未經(jīng)拉伸膜的電導(dǎo)率。如果導(dǎo)電層的平面外電阻率在拉伸后保持足夠低(例如，小于約10¹⁰ohm-cm)，則所得的拉伸復(fù)合堆疊將用作電容器中的電介質(zhì)堆疊。

對復(fù)合堆疊進行拉伸可以提供改善的電介質(zhì)擊穿強度，但是這增加絕緣層中的小缺陷(其在膜被拉伸時可以增大)將導(dǎo)致短路從而使得使用復(fù)合堆疊制成的電容器無效的概率。已發(fā)現(xiàn)，與絕緣層一起共擠出相對厚的導(dǎo)電層(例如，tc/ti大于約3)可以減少或基本上消除此類缺陷。在許多實施方案中，至少一個熱塑性絕緣層基本上無此類缺陷。在許多實施方案中，所有熱塑性絕緣層均基本上無此類缺陷。具有此類缺陷的層可被描述為在該層的一些區(qū)域上不連續(xù)。在許多實施方案中，至少一個熱塑性絕緣層基本上連續(xù)。在一些實施方案中，所有熱塑性絕緣層基本上連續(xù)。

圖1示出電容器100，其具有第一電極110、第二電極112和復(fù)合堆疊140。使第一電極110與復(fù)合堆疊140的第一主表面144接觸，并且使第二電極112與復(fù)合堆疊140的第二主表面146接觸。復(fù)合堆疊140包括絕緣層120和導(dǎo)電層150。絕緣層120和導(dǎo)電層150中的每個絕緣層和導(dǎo)電層由熱塑性組合物制成。導(dǎo)電層150中的一個或多個導(dǎo)電層可以由以高于熱塑性聚合物中的導(dǎo)電顆粒的滲濾閾值的濃度下與多個導(dǎo)電顆粒共混的熱塑性聚合物制成。絕緣層120與導(dǎo)電層150相鄰地設(shè)置。絕緣層120和導(dǎo)電層150交替，其中每對導(dǎo)電層由至少一個絕緣層隔開并且每對絕緣層由至少一個導(dǎo)電層隔開。在一些實施方案中，復(fù)合堆疊具有單個絕緣層和單個導(dǎo)電層，而在其他實施方案中，如在圖1中所示，存在多個絕緣層和多個導(dǎo)電層。在一些實施方案中，復(fù)合堆疊140包括兩個或更多個熱塑性導(dǎo)電層150和散布于該兩個或更多個熱塑性導(dǎo)電層150之間的兩個或更多個熱塑性絕緣層120。第一類型的層和第二類型的層可以通過放置在堆疊內(nèi)的各種位置處而彼此散布，使得層彼此纏結(jié)。例如，如圖1所示，第一類型的層和第二類型的層可以通過將層一個接一個地交替而散布。

在一些實施方案中，復(fù)合堆疊具有含有多個絕緣亞層的至少一個絕緣層。在一些實施方案中，多個絕緣亞層含有第一絕緣熱塑性聚合物和與第一絕緣熱塑性聚合物不同的第二絕緣熱塑性聚合物的交替堆疊。圖2示出具有第一絕緣亞層250和第二絕緣亞層260的交替層的絕緣層220。在一些實施方案中，絕緣亞層中的一個或多個絕緣亞層具有在約5nm至約100nm范圍內(nèi)或在約10nm至約50nm的范圍內(nèi)的厚度。在一些實施方案中，絕緣層中的亞層的數(shù)量在2至約100、或2至約30、或約4至約15的范圍內(nèi)。使用多個絕緣亞層可有助于使層中積聚的電荷未定域并且增加電介質(zhì)擊穿強度。

在一些實施方案中，復(fù)合堆疊具有大于約500v/μm，或大于約700v/μm，或大于約800v/μm，或大于約900v/μm或大于約1000v/μm的電介質(zhì)擊穿強度，并且在一些實施方案中，復(fù)合堆疊可以具有小于約10⁶v/m的電介質(zhì)擊穿強度。

當(dāng)跨越復(fù)合堆疊施加最大電壓(即，電介質(zhì)擊穿強度)時，獲得復(fù)合堆疊中的最大能量密度。該能量密度與有效電介質(zhì)函數(shù)和電介質(zhì)擊穿強度的平方的乘積成比例。在一些實施方案中，當(dāng)跨越復(fù)合堆疊施加具有剛好低于電介質(zhì)擊穿強度大小(例如，電介質(zhì)擊穿強度的95％或98％的電壓大小)的低頻(例如，0hz或60hz)電壓時，能量密度大于約6j/cc，或大于約8j/cc，或大于約10j/cc并且可以小于約200j/cc或小于約100j/cc。

再次參考圖1，可以通過將第一電極110施加到第一金屬表面144并將第二電極112施加到與第一主表面144相反的第二主表面146而從復(fù)合堆疊140制備電容器100?？梢酝ㄟ^將金屬金屬化、沉積、形成或以其他方式施加到第一主表面144和第二主表面146而分別將電極110和電極112施加到第一主表面144和第二主表面146。用于沉積金屬層以形成電極110和電極112的合適方法包括真空沉積、濺鍍和電鍍。另選地，可以通過將第一金屬箔施加到第一主表面144并將第二金屬箔施加到第二主表面146而將電極110和112施加到復(fù)合堆疊140。合適的金屬箔包括鋁箔。在一些實施方案中，使用大面積卷對卷濺鍍工藝來沉積電極。在一些實施方案中，兩個主表面均同時金屬化，而在其他實施方案中，第一主表面144首先金屬化，然后與第一主表面相反的第二主表面146隨后金屬化。金屬層的厚度可在約20nm至約100nm的范圍內(nèi)。金屬化可以按具有在大金屬區(qū)域之間的小通路的圖案形式進行。在這種情況下，通路用作熔斷器，從而允許在電介質(zhì)擊穿的事件下的特定電容區(qū)域的自修復(fù)，這導(dǎo)致在膜相反側(cè)上的陽極和陰極之間的短路。

制造復(fù)合堆疊和電容器的方法在圖3中示意性地示出，圖3示出熱塑性絕緣材料355和進料到擠出模具315中的熱塑性導(dǎo)電材料365，以形成用于制造電容器的預(yù)拉伸復(fù)合堆疊375。合適的擠出模具在美國專利6,767,492(norquist等人)中有所描述。將擠出的預(yù)拉伸復(fù)合堆疊375進料到輸出拉伸的復(fù)合堆疊385的拉伸裝置325中。合適的拉伸裝置包括拉幅機裝置，諸如直列拉幅機或拋物線拉幅機，諸如在美國專利6,916,440(jackson等人)中描述的那些。拉伸的復(fù)合堆疊385被輸入到金屬化裝置335中，該金屬化裝置335將電極施加到拉伸的復(fù)合堆疊385并且輸出電容器395。合適的金屬化裝置包括涂層系統(tǒng)，諸如購自德國德累斯頓市的馮·阿登納股份有限公司((vonardennegmbh(dresden,germany))的涂層系統(tǒng)，和大面積卷對卷沉積系統(tǒng)，諸如購自protoflex公司(百年之州，科羅拉多州)(protoflexcorporation(centennial,co))的大面積卷對卷沉積系統(tǒng)。

如本文所用，層、部件或元件被描述為彼此鄰近。層、部件或元件可通過直接接觸、通過一個或多個其他部件連接或通過保持彼此緊挨著或彼此附接而彼此鄰近。直接接觸的層、部件或元件被描述為緊鄰。例如，參考圖1，絕緣層120與導(dǎo)電層150鄰近，并且第一電極110緊鄰復(fù)合堆疊140。

實施例

制備和測試或建模適用于電容器中的復(fù)合堆疊。除非另外指明，否則實施例以及說明書的余下部分中的所有份數(shù)、百分比、比率等均按重量計。

電介質(zhì)光譜

使用阿爾法-a高溫寬帶電介質(zhì)光譜儀模塊化測量系統(tǒng)(購自德國aubaschstr的novocontrol技術(shù)公司(novocontroltechnologies,aubaschstr,germany))確定垂直于低于1mhz的膜平面測量的電介質(zhì)特性和電導(dǎo)率。該系統(tǒng)支持在0.00001hz到20mhz的離散頻率下的頻域測量，并且允許在至多最大值4.2伏的交流電下測量10毫歐至最多1014歐姆的阻抗。對于這些實驗，使用至多1000伏峰值至峰值伏的可變ac電壓。

將利用40mm直徑的鍍金平行板的樣品池bds1200(購自德國aubaschstr的novocontrol技術(shù)公司(novocontroltechnologies,aubaschstr,germany))交接至與阿爾法-a主機架，同時利用zg2電介質(zhì)/阻抗通用目的界面(購自德國aubaschstr的novocontrol技術(shù)公司(novocontroltechnologies,aubaschstr,germany))。將每個樣品放置在平行板電極之間并且根據(jù)電極電壓差(vs)和電流(is)的相敏測量來評估復(fù)雜電阻率(電介質(zhì)函數(shù)和損耗)。將蒸涂金的電極濺鍍涂覆到樣品上。該測量系統(tǒng)根據(jù)astmd150-11測試標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計和操作。

借助使用16453a電介質(zhì)材料測試夾具的阻抗材料分析儀系統(tǒng)(型號4291)(購自加利福尼亞州圣克拉拉市的安捷倫科技公司(agilenttechnologies,santaclara,ca))在1mhz至1ghz的頻率范圍內(nèi)執(zhí)行測量。適用的電介質(zhì)材料為平滑的并且從一端到另一端具有相等厚度的固體片材。16453a的結(jié)構(gòu)含有具有內(nèi)部彈簧的上部電極，該彈簧允許待測材料緊固在電極之間。所施加的壓力也是可調(diào)節(jié)的。16453a沒有配備保護電極。這是因為保護電極在高頻率下可導(dǎo)致較大殘余阻抗和差的頻率特性。為了減小邊緣電容的效應(yīng)，使用如在astmd150-11中描述的校正函數(shù)。另外，可為測量誤差的主要原因的殘余阻抗不可通過開路和短路補償完全去除。因此，teflon用作負載補償設(shè)備。

使用分裂柱電介質(zhì)諧振器在9.3ghz的頻率下執(zhí)行平面內(nèi)電導(dǎo)系數(shù)的測量。用于電介質(zhì)材料表征的分裂柱電介質(zhì)諧振器技術(shù)為已知的并且在例如2000年第13屆國際微波、雷達和無線通信會議(13^thinternationalconferenceonmicrowaves,radarandwirelesscommunications)第1卷第305-308頁的“用于層狀電介質(zhì)樣本的精確測量的分裂柱電介質(zhì)諧振器技術(shù)(splitpostdielectricresonatortechniqueforprecisemeasurementsoflaminardielectricspecimens)”(krupka等人)中以及其中的參考文獻中有所描述。在分裂諧振器實驗中，將待測試的膜樣品插在由兩個柱分別支撐的兩個固定電介質(zhì)諧振器之間。以這種方式采用支撐柱提供減少壁損耗的優(yōu)點。支撐諧振器的柱由經(jīng)選擇具有低電介質(zhì)常數(shù)和低損耗的材料制備，以最小化總體信號損耗。

柱的諧振頻率和品質(zhì)因子受樣本存在的影響。使用常規(guī)數(shù)值技術(shù)檢測諧振頻率和品質(zhì)因子中的這些改變，并將這些改變轉(zhuǎn)變?yōu)闃颖镜碾娊橘|(zhì)函數(shù)和電導(dǎo)率值。

測量在等于9.3ghz的單個頻率下進行，其中采用環(huán)路耦合。諧振器以僅具有方位角電場分量的te01δ模式操作，使得電場在電介質(zhì)界面上保持連續(xù)。這最小化氣隙系統(tǒng)的不確定性。諧振器測量在樣本的平面中的電容率分量。

用于薄型拉伸堆疊的可擠出熱塑性導(dǎo)體

制備填充炭黑的可共擠出熱塑性塑料，其在至多ghz頻率范圍的dc下表現(xiàn)滲濾的半導(dǎo)體行為。使用沃巴什熱和冷式臺板壓機(購自印第安納州沃巴什市的沃巴什mpi公司(wabashmpi,wabash,in))由所接收的球劑壓制rtp199x13007481eg(聚丙烯和約20重量％-30重量％的炭黑(購自明尼蘇達州維諾納市的rtp公司(rtpcompany,winona,mn)并且在本文中表示為“rtpppw/cb”)的共混物)，歷時3分鐘預(yù)熱，在500℉(260℃)下熱壓3分鐘以及在5℃下冷壓3分鐘至最終厚度為250μm。

如下制備鑄造幅材(castweb)對照物：使用沃巴什熱和冷式臺板壓機(購自印第安納州沃巴什市的沃巴什mpi公司(wabashmpi,wabash,in))由所接收的球劑壓制聚(丙烯-共-乙烯)8650(購自德克薩斯州休斯頓市的道達爾石化和煉油美國公司(totalpetrochemicalsandrefiningusa,inc.,houston,tx)并且在本文中表示為“純pp”)，歷時3分鐘預(yù)熱，在500℉(260℃)下熱壓3分鐘，并且冷壓5分鐘，至最終厚度為250μm。

將壓制膜切成55mm×55mm的正方形，以1cm的間隔用永久標(biāo)記線網(wǎng)格化并且在accupull雙軸膜拉伸機(購自田納西州諾克斯維爾市的創(chuàng)新實驗室公司(inventurelaboratoriesinc.noxox,tn)中拉伸。在10％/s的恒定牽伸速率(基于初始顎分離)下，將膜樣品在一系列雙軸牽伸比(2x2、3x3、3.5x3.5、4x4、4.5x4.5和5x5)下牽伸，其中背景溫度為150℃并且預(yù)熱時間為90秒。將部分壓制膜和拉伸膜切成50mm×50mm的正方形，用金掩蔽并用金濺涂90秒。使用以上列出的測試方法測試樣品的ac電導(dǎo)系數(shù)光譜。用于平面外電導(dǎo)率的結(jié)果示于圖4中。在10mhz下用于拉伸和未經(jīng)拉伸的rtpppw/cb樣品的平面內(nèi)電導(dǎo)率為約0.2s/m至約0.6s/m的范圍內(nèi)。相比之下，純pp在10mhz下具有約10^-4s/m的平面內(nèi)電導(dǎo)率。

低損耗因子聚丙烯多層擠出物

為了示出復(fù)合堆疊可共擠出并且諸如結(jié)構(gòu)可給出低損耗角正切，由不同等級的聚丙烯制備含有各種熱塑性絕緣層的復(fù)合堆疊。堆疊由三個a型共擠出的多層(對應(yīng)于圖1的絕緣層120)構(gòu)成。每個a型多層包括等級1024的聚丙烯(作為pp1024e4購自德克薩斯州愛文市的?？松梨诠?exxonmobil,irving,texas,aspp1024e4))的7個亞層。用兩個b型共擠出多層(每個b型多層對應(yīng)于圖1的導(dǎo)電層150的非導(dǎo)電型式)隔開a型多層。每個b型多層由等級3230的聚丙烯(購自德克薩斯州休斯頓市的道達爾石化公司(totalpetrochemicals,houston,texas))的22個亞層組成。

使用美國專利6,767,492(norquist等人)中描述的共擠出方法制備該結(jié)構(gòu)的多層聚丙烯堆疊。以15ib/hr(6.8kg/hr)擠出等級1024的聚丙烯，并以30ib/hr(13.6kg/hr)擠出等級3230的聚丙烯。堆疊總厚度為約6μm，因此每個共擠出的pp層平均小于100nm厚。

如根據(jù)“電介質(zhì)光譜學(xué)”所描述的，對所得的堆疊執(zhí)行電介質(zhì)光譜。電介質(zhì)損耗仍然很低；對于幅值在1v到100v的范圍內(nèi)的所施加電壓，在1hz至1,000hz頻率范圍內(nèi)的損耗因子為約10^-3。

實施例1：具有工程化的有效電介質(zhì)函數(shù)的多層復(fù)合堆疊

設(shè)計多層聚合物結(jié)構(gòu)，其中其目的在于具有約1ghz的高頻德拜馳豫諧振頻率，在低頻端上的大電介質(zhì)響應(yīng)和總體低損耗角正切。

具有絕緣的純pp層和導(dǎo)電rtpppw/cb層的復(fù)合堆疊的電介質(zhì)常數(shù)和吸收通過所使用材料的組成特性并且通過層厚度來確定。為了對復(fù)合堆疊的性能進行建模，如在“電介質(zhì)光譜學(xué)”中所述，針對非拉伸的純pp和rtpppw/cb膜確定電導(dǎo)系數(shù)和電介質(zhì)函數(shù)。通過對來自若干樣品的結(jié)果進行平均化并且在低頻數(shù)據(jù)和高頻數(shù)據(jù)之間進行外推來生成平滑曲線。純pp和rtpppw/cb的所得的組成特性(電介質(zhì)常數(shù)ε的實部和電導(dǎo)系數(shù))示于圖5a至圖5b中。

對具有復(fù)合堆疊(其包括用于絕緣層(對應(yīng)于圖1的絕緣體層120)的純pp和用于導(dǎo)電層(對應(yīng)于圖1的導(dǎo)電層150)的rtpppw/cb)的電容器進行建模，其中厚度比tc/(tc+ti)＝0.9。使用等式(2)確定復(fù)合堆疊的電介質(zhì)特性。結(jié)果示于圖6a至圖6b中。如圖6a所示，在跨越0.001ha至超過1mhz的范圍內(nèi)，堆疊的預(yù)測有效電介質(zhì)常數(shù)超過19。如圖6b所示，損耗角正切(其表征堆疊中的損耗)在跨越約10hz至約10mhz的頻率范圍內(nèi)保持低于0.01，并且在約1000hz至約1mhz的頻率范圍內(nèi)保持處于或低于約0.001。

實施例2：具有交替的導(dǎo)電區(qū)域和絕緣區(qū)域的共擠出的多層電容器結(jié)構(gòu)

制備并表征具有夾在導(dǎo)電熱塑性層之間的聚丙烯絕緣體區(qū)域的薄型多層的復(fù)合堆疊。該堆疊由三個a型共擠出的多層(對應(yīng)于圖1中的絕緣層120)構(gòu)成，每個a型共擠出的多層包括等級1024的聚丙烯(作為pp1024e4購自德克薩斯州愛文市的?？松梨诠?exxonmobil,irving,texas,aspp1024e4))的7個亞層。用兩個b型共擠出導(dǎo)電層(對應(yīng)于圖1中的導(dǎo)電層150)隔開a型堆疊。通過擠出在2.5英寸(1cm)戴維斯-標(biāo)準(zhǔn)單螺桿擠出機中共混在一起的80重量份的rtpppw/cb和20重量份的priex48101(購自addcomp荷蘭私人有限公司(addcomphollandb.v.)的馬來酸酐改性的離子鍵pp無規(guī)共聚物)來制備導(dǎo)電層，該單螺桿擠出機配備有具有maddock混合頭的標(biāo)準(zhǔn)壓縮螺桿并通過齒輪泵和頸管進料到送料區(qū)塊。擠出機以及頸管和齒輪泵的最終溫度為520℉(271℃)。

共擠出的結(jié)構(gòu)包括三個薄型絕緣層(對應(yīng)于圖1的絕緣層120)，其具有在第一絕緣層(三個絕緣層的最上面)的三個位置處分別測量為14.5μm、11.4μm和13μm的厚度；在第二絕緣層(在堆疊中間)的三個位置處分別測量為9.15μm、12.2μm和8.38μm的厚度；在第三電介質(zhì)層(三個層中的最下層)的三個位置處分別測量為11.4μm、8.42μm和8.42μm的厚度。將四個導(dǎo)電層(對應(yīng)于圖1的導(dǎo)電層150)與絕緣層共擠出。這些層分別緊靠第一絕緣層上方、緊靠第一絕緣層下方、緊靠第二絕緣層下方并緊靠第三絕緣層下方。導(dǎo)電層具有在第一導(dǎo)電層(四個導(dǎo)電層的最上面)的三個位置處分別測量為28.2μm、29μm和28.2μm的厚度；在第二導(dǎo)電層(緊挨著四個導(dǎo)電層的最上面)的三個位置處分別測量為130μm、130μm和130μm的厚度；在第三導(dǎo)電層(緊挨著四個導(dǎo)電層的最下面)的三個位置處分別測量為62.5μm、65.6μm和62.5μm的厚度；以及在第四導(dǎo)電層(四個導(dǎo)電層的最下面)的三個位置處分別測量為6.90μm、6.90μm和6.10μm的厚度。

共擠出的多層復(fù)合堆疊在具有等于或低于100v的峰到峰大小的dc電壓下在1hz至10khz上表現(xiàn)出在9-13的范圍內(nèi)變化的有效電介質(zhì)常數(shù)。在這些膜中測量的耗散因數(shù)(有效損耗角正切)在1hz-10khz的范圍上在0.02-0.4范圍內(nèi)變化。

可以通過將電極施加到復(fù)合堆疊的相反表面來制備包括復(fù)合堆疊的電容器。這可以例如通過如在別處描述的卷對卷濺鍍工藝使表面金屬化而進行。

以下為本說明書的示例性實施方案的列表。

實施方案1為電容器，其包括：

第一電極、第二電極以及設(shè)置在第一電極和第二電極之間的復(fù)合堆疊；

其中復(fù)合堆疊包括：

一個或多個熱塑性導(dǎo)電層；

與一個或多個熱塑性導(dǎo)電層相鄰地設(shè)置的一個或多個熱塑性絕緣層；

并且其中一個或多個熱塑性導(dǎo)電層具有tc的總厚度，一個或多個熱塑性絕緣層具有ti的總厚度，并且tc/ti大于3。

實施方案2為根據(jù)實施方案1所述的電容器，其中復(fù)合堆疊包括兩個或更多個熱塑性導(dǎo)電層，并且至少一個熱塑性絕緣層將每個熱塑性導(dǎo)電層隔開。

實施方案3為根據(jù)實施方案1所述的電容器，其中一個或多個熱塑性絕緣層中的至少一個熱塑性絕緣層包括多個絕緣亞層。

實施方案4為根據(jù)實施方案3所述的電容器，其中多個絕緣亞層包括第一絕緣熱塑性聚合物和與第一絕緣熱塑性聚合物不同的第二絕緣熱塑性聚合物的交替堆疊。

實施方案5為根據(jù)實施方案1所述的電容器，其中tc/ti大于5。

實施方案6為根據(jù)實施方案1所述的電容器，其中一個或多個熱塑性導(dǎo)電層中的每個熱塑性導(dǎo)電層在60hz的頻率下具有大于約10^-6s/m的平面外電導(dǎo)率。

實施方案7為根據(jù)實施方案1所述的電容器，其中一個或多個熱塑性導(dǎo)電層中的至少一個熱塑性導(dǎo)電層包含以高于滲濾閾值的濃度與多個導(dǎo)電顆粒共混的熱塑性聚合物。

實施方案8為根據(jù)實施方案1所述的電容器，其中復(fù)合堆疊在60hz的頻率下具有實部大于約18的有效電介質(zhì)函數(shù)。

實施方案9為根據(jù)實施方案1所述的電容器，其中復(fù)合堆疊在大于約60hz的頻率下具有帶有諧振的有效電介質(zhì)函數(shù)。

實施方案10為根據(jù)實施方案1所述的電容器，其中諧振處于大于約1mhz的頻率。

實施方案11為根據(jù)實施方案1所述的電容器，其中復(fù)合堆疊在介于1hz和10mhz之間的頻率下具有小于0.001的有效損耗角正切。

實施方案12為一種電容器，其包括：

第一電極、第二電極以及設(shè)置在第一電極和第二電極之間的復(fù)合堆疊；

其中復(fù)合堆疊包括：

兩個或更多個熱塑性導(dǎo)電層；

散布于兩個或更多個熱塑性導(dǎo)電層之間的兩個或更多個熱塑性絕緣層；

其中兩個或更多個熱塑性導(dǎo)電層中的至少一個熱塑性導(dǎo)電層包含以高于滲濾閾值的濃度與多個導(dǎo)電顆粒共混的熱塑性聚合物。

實施方案13為根據(jù)實施方案12所述的電容器，其中兩個或更多個熱塑性導(dǎo)電層具有tc的總厚度，兩個或更多個熱塑性絕緣層具有ti的總厚度，并且tc/ti大于3。

實施方案14為根據(jù)實施方案12所述的電容器，其中兩個或更多個熱塑性絕緣層中的至少一個熱塑性絕緣層包括多個絕緣亞層。

實施方案15為根據(jù)實施方案12所述的電容器，其中復(fù)合堆疊在60hz的頻率下具有實部大于約20的有效電介質(zhì)函數(shù)。

實施方案16為根據(jù)實施方案12所述的電容器，其中復(fù)合堆疊在大于約60hz的頻率下具有帶有諧振的有效電介質(zhì)函數(shù)。

實施方案17為根據(jù)實施方案16所述的電容器，其中諧振處于大于約1mhz的頻率。

實施方案18為根據(jù)實施方案12所述的電容器，其中復(fù)合堆疊在介于1hz和10mhz之間的頻率下具有小于0.001的有效損耗角正切。

實施方案19為制備電容器的方法，其包括以下步驟：

提供至少一種熱塑性絕緣材料；

提供至少一種熱塑性導(dǎo)電材料；

共擠出至少一種熱塑性絕緣材料和至少一種熱塑性導(dǎo)電材料以形成復(fù)合堆疊；

拉伸復(fù)合堆疊；

將第一電極施加到復(fù)合堆疊的第一側(cè)，以及將第二電極施加到復(fù)合堆疊的第二側(cè)，所述復(fù)合堆疊的第二側(cè)與復(fù)合堆疊的第一側(cè)相反；

其中復(fù)合堆疊包括：

具有tc的總厚度的一個或多個導(dǎo)電層；以及具有ti的總厚度的一個或多個絕緣層；

并且其中tc/ti大于3。

實施方案20為根據(jù)實施方案19所述的方法，其中至少一種熱塑性導(dǎo)電材料包含以高于滲濾閾值的濃度與多個導(dǎo)電顆粒共混的熱塑性聚合物。

雖然本文已經(jīng)示出和描述了具體實施方案，但本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本公開范圍的前提下，可以用多種替代具體實施來代替所示出和描述的具體實施方案。本專利申請旨在涵蓋本文討論的具體實施方案的任何改型或變型。