高储能密度复合电介质材料结构与性能调控研究

来源 :北京科技大学 | 被引量 : 2次 | 上传用户:icnew
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随着人类社会的发展,对能源的需求越来越大,储能的要求也越来越高,电能作为能源的高级利用形式,在很多领域的应用也越来越广泛。但目前常用的电介质薄膜介电常数较低,从而导致薄膜电容器的储能密度难以提升。论文主要探讨了高性能聚合物基电介质复合材料的组成、结构与性能关系,得到如下结果:(1)利用高介电氟橡胶PPA提高聚丙烯(PP)的介电常数,发现PPA可以实现在PP基体中的均匀分散,使得PPA/PP共混物复合材料薄膜的介电常数和储能密度均升高。当PPA的含量达到35 wt%时,102 Hz时复合薄膜的介电常数达到了 2.8,另外在200 MV/m的场强下复合薄膜的放电储能密度达到1.21 J/cm3,是纯PP薄膜的2.2倍。(2)采用在PP基体中添加高介电纳米颗粒钛酸钡的方法来提高介电常数,为了进一步改善复合材料的电击穿性能,引入了第三相橡胶相。实验发现无论是SEBS还是EPDM,对纳米填料在聚合物基体中的分散和纳米复合材料的介电性能、击穿强度及储能特性均有很明显的改善作用。当橡胶含量为10 wt%时,介电常数增加到3.1,复合薄膜的击穿强度从277 MV/m分别上升到341 MV/m(SEBS/BT/PP)和315 MV/m(EPDM/BT/PP);当橡胶含量为15 wt%时,200 MV/m下的储能密度达到1.2 J/cm3左右。(3)利用化学接枝的方法将聚氨酯(TPU)接枝在BT纳米颗粒表面成功制备了核壳结构的高介电填料(TPU@BT)。实验发现TPU@BT的加入改善了 PVDF基体的介电性能。当TPU@BT纳米颗粒填充量为12 wt%时复合材料在102 Hz频率时其介电常数可以达到13.5,这是纯的PVDF基体的1.5倍;储能密度提高到了 1.7 J/cm3。(4)将二异氰酸酯(MDI)接枝在BT纳米颗粒表面成功制备了核壳结构的高介电填料,改善了 BT在PVDF基体中的分散性和相容性。接枝MDI在BT纳米颗粒表面可以同时提高复合材料的介电和储能特性。当MDI@BT纳米颗粒填充量为12 wt%(102 Hz),介电常数可以达到13.7,而纯PVDF的介电常数仅为8.2,储能密度提高到2.0J/cm3,另外与TPU@BT相比,相同条件下的MDI@BT可以有效抑制PVDF基复合材料充放电效率的下降。
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