非接触电场构建Z-轴有序纳米陶瓷/聚合物柔性薄膜及其电子传输性研究

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对于无机纳米颗粒聚合物复合薄膜,纳米颗粒的浓度和有序排列对膜的性能有着重要的影响。与各向同性薄膜相比,具有沿“Z”方向排列的纳米粒子的复合薄膜表现出更优异的导热性,导电性和更高的介电常数。在本论文的研究中,引入了非接触电场来诱导磷酸锗铝锂纳米粒子(LAGP,Li1+x+x AlxGe2-x(PO43)在聚环氧乙烷(PEO)和聚(乙二醇)二丙烯酸酯(PEGDA)的共混物中Z-轴取向排列。通过向由顶部电极和涂覆有聚合物/纳米颗粒悬浮液的基底电极组成的电极对施加电压来实现非接触电场,该电极被空气间隙平行隔开。该空气间隙电极有利于陶瓷纳米颗粒在溶液中沿“Z”方向排列,并利于溶剂的蒸发。通过光学显微镜测量薄膜排列过程中的透光率变化,追踪LAGP的排列过程,并优化排列条件。在排列完成后,通过蒸发溶剂和PEGDA的光固化将排列的LAGP粒子串固定在最终的复合薄膜中。采用数码相机,扫描电子显微镜(SEM),能量色散X射线能谱仪(EDS)和原子力显微镜(AFM)表征了取向前后的LAGP/PEO-PEGDA复合薄膜的截面和表面的微观形貌。此外,还使用X射线衍射(XRD),动态热机械分析(DMA)和差示扫描量热法(DSC)来研究电压对PEO结晶度,玻璃化转变温度的影响。使用电化学工作站研究了排列结构对离子电导率和电化学稳定性的影响。结果表明,通过非接触电场的实现可以在空气中蒸发溶剂,陶瓷纳米粒子也可以在复合基底中轻松地有序排列成链状,并迅速地将链固定。在非接触电场下。当LAGP纳米粒子的负载量为20 wt.%时,在25℃时,含有有序排列的LAGP纳米粒子的聚合物复合薄膜在800 V交流电场下的离子电导率是内部随机分布的LAGP聚合物复合薄膜的2.7倍,断裂伸长率是2.6倍。所以,在相同的颗粒负载下,有序排列结构的LAGP/PEO/PEGDA纳米复合材料能够实现比均质的纳米复合材料更好的离子导电性和机械性能。此外,在较低的陶瓷浓度下获得相似或更高的离子电导率的同时,也保持了聚合物基体的柔韧性。此外,非接触电场也可以用于制备厚度为微米级的柔性超薄聚合物复合薄膜。在各向异性的超薄产品之制备具有广泛的应用前景。
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