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树枝状钛酸钡粉体的制备及应用研究

王思静  
【摘要】:本文从树枝状钛酸钡(d-BT)粉体制备出发,以d-BT作为无机相,分别与PVDF和P(VDF-TrFE)有机相复合,形成d-BT/PVDF和d-BT/P(VDF-TrFE)两类无机-有机复合材料;研究该类复合材料的介电性能与无机相形貌的关系;进一步优化d-BT/P(VDF-TrFE)复合材料介电性能;借助A1203和Ti02的介电常数介于d-BT与P(VDF-TrFE)之间的性质,在d-BT表面上分别包覆半导体材料A1203和Ti02,并研究了包覆后的d-BT/P(VDF-TrFE)复合材料的介电性能及储能密度。通过对比各反应条件,得出水热法制备d-BT粉体适宜的工艺条件,以硫酸钛为钛源,KOH浓度为0.3mol/L。当反应时间分别为6h、10h、12 h和15 h时,得到了四种d-BT粉体,分别记为6h-d-BT、10h-d-BT、12h-d-BT 和 15h-d-BT。对四种复合材料 6h-d-BT/PVDF、1Oh-d-BT/PVDF、12h-d-BT/PVDF和15h-d-BT/PVDF介电性能进行研究发现,12h-d-BT/PVDF复合材料介电性能最优,也明显优于球形BaTi03/PVDF复合材料,其击穿场强为306 kV/mm,1 kHz下介电常数为15.04,储能密度达到6.3 J/cm3。因此,12h-d-BT可以作为较优的树枝状形貌粉体。其具体尺寸为,主枝干直径和长度分别约为100-150 nm和1.0-1.5 μm,主枝干上小分枝直径与长度范围分别约为 100-150 nm 和 150-250 nm。通过考察复合材料薄膜成型过程中,发现温场的均匀性影响薄膜材料的介电性能,均匀温场下制备的薄膜介电性能较优;研究d-BT含量分别为0 vol%、1vol%、3vol%、5vol%以及 7 vol%的 12h-d-BT/P(VDF-TrFE)复合材料的介电性能,并分别计算得出其储能密度,得出d-BT含量为5 vol%时复合材料的储能密度最大,达到9.7J/cm3,因此5vol%作为d-BT的最优含量。并通过电滞回线得到其实际充电能量密度为10.23 J/cm3,放电能量密度为5.44J/cm3,放电效率为53.2%,大于纯P(VDF-TrFE)放电效率的2倍。采用溶胶凝胶法,在pH=4.6时,对12h-d-BT颗粒表面分别均匀包覆上Al2O3和TiO2,得到包覆层为5 nm的d-BT@Al2O3颗粒和包覆层为20 nm小颗粒的d-BT@TiO2颗粒。将其与P(VDF-TrFE)复合得到d-BT@A1203/P(VDF-TrFE)和 d-BT@TiO2/P(VDF-TrFE)材料的储能密度分别为 11.62 J/cm3 和 12.83 J/cm3,比 d-BT/P(VDF-TrFE)提高了 16.5%和32.3%。


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