高儲能PVDF基介電復(fù)合薄膜材料的研究.pdf

1、近年來，為應(yīng)對能源短缺和能源利用率較低等問題，世界上許多國家的研究人員都致力于開發(fā)新型的儲能和能量轉(zhuǎn)換裝置。由此，介電電容器由于其高功率密度、抗循環(huán)老化、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)成為研究熱點(diǎn)。目前，傳統(tǒng)陶瓷材料具有很高的介電常數(shù)，但是其制備工藝復(fù)雜、體積大且不耐高壓。而聚合物介電材料機(jī)械性能好、易于加工且擊穿場強(qiáng)高，但是通常介電常數(shù)較低。因此，研究和制備具備高介電常數(shù)和擊穿場強(qiáng)、低介電損耗的聚合物基介電復(fù)合材料具有非常重要的意義。
　　本論

2、文以聚偏氟乙烯(PVDF)基聚合物為基體，研究了不同填料的尺寸與形貌、有機(jī)-無機(jī)界面及有機(jī)填料對復(fù)合膜介電行為的影響，并分析了相應(yīng)機(jī)理，建立結(jié)構(gòu)-性能的構(gòu)效關(guān)系，設(shè)計(jì)并制備了高儲能低損耗的介電復(fù)合材料。本論文的主要研究內(nèi)容如下:
　　1.利用水熱法制備了SnO2顆粒，粒徑5-7nm。基于滲流理論，構(gòu)建了SnO2/PVDF納米復(fù)合膜，在103Hz下介電常數(shù)高達(dá)320，與PVDF基體相比提高了近40倍，而介電損耗小于0.8;根據(jù)線性擬

3、合的結(jié)果，介電行為符合滲流模型;SnO2納米顆粒具有較寬的禁帶寬度，同時(shí)，納米級的SnO2與PVDF形成的界面形成更多的電子散射和勢阱，阻止了載流子的傳輸，能夠有效地保持一定的擊穿場強(qiáng)。
　　2.水熱法制備了鈦酸鈉納米管，管徑8-10nm，管長300-500nm，并與聚偏氟乙烯-三氟乙烯-三氟氯乙烯(PVDF-TrFE-CTFE)復(fù)合成膜。采用雙向和單向電滯回線測試探索復(fù)合膜的介電損耗機(jī)制，提出外部和內(nèi)部電導(dǎo)損耗共同構(gòu)成了介電材料

4、的介電損耗。當(dāng)測試頻率為10Hz時(shí)，雙向電滯回線有上移現(xiàn)象，證明存在與填料之間和填料與聚合物基體之間的外部電導(dǎo)損耗的存在。利用單向電滯回線對復(fù)合膜進(jìn)行測試，在100Hz以上，其外部電導(dǎo)損耗不明顯，但仍然存在非線性的介電損耗，證明了存在于填料內(nèi)部的內(nèi)部電導(dǎo)損耗的存在。
　　3.利用St(o)ber法制備了不同殼厚的Ag@SiO2核殼結(jié)構(gòu)填料，Ag核大小40-55nm，SiO2殼層厚度分別為5nm，10nm和20nm。由于填料的核殼型

5、結(jié)構(gòu)使得復(fù)合膜界面極化的增強(qiáng)，從而提高了介電常數(shù)，最高達(dá)到31;同時(shí)復(fù)合膜保持了較低的介電損耗，小于0.05。介電常數(shù)隨SiO2殼厚的增加而下降，而擊穿場強(qiáng)增高;在加入少量Ag@SiO2時(shí)，擊穿場強(qiáng)得到了提高，最高達(dá)到346MV/m。測試結(jié)果證明SiO2殼層作為良好的絕緣層能夠降低漏電流，提高薄膜的擊穿場強(qiáng)。同時(shí)，薄膜的介電行為能夠通過SiO2殼層厚度進(jìn)行調(diào)控。
　　4.用化學(xué)剝離法制備了層數(shù)較少的氮化硼納米片(BNNS)填料，并

6、與PVDF-TrFE-CTFE復(fù)合，研究了BNNS的最佳填充量;當(dāng)BNNS填量為12wt％時(shí)，介電性能最好，能量釋放密度為7.1J/cm3;由于BNNS的寬禁帶寬度和高擊穿場強(qiáng)，介電薄膜的的擊穿場強(qiáng)得到提高，達(dá)到610MV/m，BNNS的加入降低了復(fù)合材料的晶粒尺寸，從而提高了放電效率(84％)。在此基礎(chǔ)上，對納米鈦酸鋇(BT)用多巴胺進(jìn)行表面修飾，制備了以BNNS和BT為填料的三相介電復(fù)合材料。利用BNNS的高擊穿場強(qiáng)和鈦酸鋇的高介電

7、常數(shù)，三相復(fù)合膜的介電性能得到顯著提升，介電常數(shù)最高達(dá)到76。當(dāng)鈦酸鋇摻雜量為20wt％、BNNS摻雜量為12wt％時(shí)，三相介電薄膜的能量釋放密度最高達(dá)到13.3J/cm3，同時(shí)放電效率為72％。
　　5.利用逐步加成聚合法制備了芳香聚硫脲(ArPTU)介電薄膜，由于ArPTU的非晶相極性聚合物結(jié)構(gòu)，分子鏈中的偶極子能夠及時(shí)響應(yīng)電場變化，使得ArPTU具備很低的介電損耗(0.0067)，同時(shí)具備很高的擊穿場強(qiáng)(746MV/m)和能