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钛酸钡基聚合物复合材料的可控制备与介电性能研究

蒋永昶  
【摘要】:聚合物基介电材料具有柔韧性好、质量轻、易加工、成本低等优点,在柔性电子器件、脉冲功率装置和电力系统中有广泛的应用。在聚合物基体中加入本征高介电常数的陶瓷填料,可以有效提高聚合物复合材料的介电常数。但是,为了获得较高的介电常数,通常需要较高的陶瓷填料添加量(50 vol%),这会导致基体柔性的降低和力学性能的下降。因此,如何在较低填料添加量下获得较高的介电性能是值得研究和解决的问题。为此,本文设计制备了多种复合填料,探索了复合填料对聚合物基体性能的影响和作用机理,通过填料微观设计和复合膜宏观组装相结合的方法,实现了综合介电性能的协同改善。本文主要研究内容和结论如下:(1)通过多巴胺聚合和氯化镍还原制备了一维Ni@PDA@BT NWs,并将其作为填料制备了Ni@PDA@BT NWs/P(VDF-HFP)复合材料。一维Ni@PDA@BT NWs纳米填料阻碍了P(VDF-HFP)基体的结晶,使复合膜的结晶温度(Tc)和结晶度(χc)降低;由于界面极化效应和微电容效应的协同作用,复合膜的介电性能得到了较大提高,且可以通过提高Ni的负载量来改善。当Ni@PDA@BT NWs添加量为20 vol%时,NPB2/P(VDF-HFP)复合膜在1 kHz下的介电常数达到了48.4,是20 vol%BT NWs的1.6倍,纯P(VDF-HFP)的4.6倍,介电损耗仍保持在较低的水平(0.23)。复合膜的击穿场强随填料含量的增加和Ni纳米颗粒负载量的提高而降低。(2)以硝酸铁为原料制备了卫星-核结构的Fe203@BT纳米颗粒,并将其作为填料制备了 Fe2O3@BT/P(VDF-HFP)复合材料。由于Fe203@BT纳米颗粒对P(VDF-HFP)基体结晶过程的阻碍,随着填料含量的提高,复合膜的结晶温度和结晶度均随之降低;Fe2O3的负载增强了界面极化效应,使复合膜的介电常数得到提高;此外,卫星-核结构有效避免了Fe2O3纳米颗粒的互相接触,使介电损耗维持在非常低的水平。当Fe203OBT纳米颗粒的添加量为20 vol%时,Fe2O3@BT/P(VDF-HFP)复合膜在1 kHz下的介电常数达到31.7,是20 vol%BT/P(VDF-HFP)的1.8倍,纯P(VDF-HFP)的3.0倍,复合膜的介电损耗仅为0.05。卫星-核结构的Fe203@BT纳米颗粒阻碍了导电通路的形成,使复合膜的击穿场强保持在较高的水平(150 MV/m)。(3)通过硝酸银还原制备了核-壳结构的BT@Ag纳米颗粒,并将其作为填料制备了BT@Ag/P(VDF-HFP)复合材料。核-壳结构BT@Ag纳米颗粒对P(VDF-HFP)基体的结晶过程表现出双重影响。当添加量较少时,异相形核作用使复合膜结晶温度升高;当添加量增多后,纳米颗粒对聚合物链段的阻碍作用占据主导,Tc又随之降低。而最终的结晶度由于阻碍效应的累积而逐渐降低。由于界面极化效应和微电容效应的协同作用,BT@Ag/P(VDF-HFP)复合膜的介电常数得到较大提高。当BT@Ag纳米颗粒的添加量为20 vol%时,BT@Ag/P(VDF-HFP)复合膜在1 kHz下的介电常数达到26.2,是20 vol%BT的1.5倍,纯P(VDF-HFP)的2.5倍,介电损耗仅为0.05。复合膜的介电强度随填料含量的增加而逐渐降低。(4)通过多巴胺和苯胺原位聚合制备了核-壳结构BT@PDA@PANI纳米颗粒,并将其作为填料制备了 BT@PDA@PANI/P(VDF-HFP)复合材料,在此基础上,为了协同改善复合材料的介电常数和击穿场强,以BT@PDA@PANI/P(VDF-HFP)复合膜为中间高介电层,以3 vol%BT/P(VDF-HFP)复合膜为两侧高击穿层,制备了P(VDF-HFP)基BT-BT@PDA@PANI-BT三明治型复合材料。由于核-壳结构BT@PDA@PANI纳米颗粒的引入,界面极化效应和微电容效应协同作用,使BT@PDA@PANI/P(VDF-HFP)复合膜的介电常数得到了较大提高,而由于填料颗粒与聚合物基体的电场失配,复合膜的击穿场强也出现了降低。当BT@PDA@PANI纳米颗粒的添加量为20 vol%时,BT@PDA@PANI/P(VDF-HFP)复合膜在1 kHz下的介电常数达到53.5,是P(VDF-HFP)膜的5.0倍,介电损耗为0.57。在此基础上,设计制备了BT-BT@PDA@PANI-BT三明治膜,膜层间的界面阻碍了导电通路的扩展,提高了击穿场强,从而使介电常数和击穿场强得到了协同改善,并使放电能量密度得以提高。S 3-20-3三明治膜(数字为各层填料体积分数)在1 kHz下的介电常数达到20.3,是纯P(VDF-HFP)膜的1.9倍,介电损耗为0.07,击穿场强达到206.0 MV/m,在140 MV/m下的放电能量密度为2.4 J/CIcm3,是纯P(VDF-HFP)膜的1.8倍。


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